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Les horloges atomiques sont actuellement les instruments de mesure du temps les plus précis au monde. Elles utilisent des électrons dans l’enveloppe atomique d’éléments chimiques, tels que le césium, comme générateur d’impulsions afin de définir l’heure. Ces électrons peuvent être portés à un niveau d’énergie supérieur par des micro-ondes d’une fréquence définie et, ce faisant, ils absorbent le rayonnement des micro-ondes. La fréquence de ces micro-ondes est régulée de manière à ce que l’absorption des micro-ondes soit maximale; les experts parlent de résonance.
D’après l’équipe d’expérimentation, les horloges à césium seront précises à une seconde près d’ici 300 millions d’années. La nouvelle horloge atomique basée sur le scandium, en revanche, serait mille fois plus précise et ne dévierait plus que d’une seconde en 300 milliards d’années. C’est pourquoi des équipes du monde entier travaillent depuis plusieurs années sur le concept d’une horloge «nucléaire» à scandium», «qui utilise les transitions dans le noyau atomique comme générateur d’impulsions plutôt que dans la coquille atomique», expliquent les scientifiques. Les résonances nucléaires sont beaucoup plus aiguës que les résonances des électrons dans la coquille atomique, mais aussi beaucoup plus difficiles à exciter. Mais elles offrent ainsi une précision supérieure. Cette résonance nécessite des rayons X d’une énergie de 12,4 kiloélectronvolts et d’une largeur de seulement 1,4 femtoélectronvolt (feV, femto: 10-15). Les lasers à rayons X comme le XFEL européen mettent à disposition des sources de rayons X adaptées.
«Lors de cette expérience révolutionnaire, l’équipe a irradié une feuille de scandium de 0,025 millimètre d’épaisseur avec un laser à rayons X et a pu détecter une rémanence caractéristique émise par les noyaux atomiques excités, ce qui prouve clairement que la ligne de résonance du scandium est extrêmement étroite», expliquent les chercheurs et chercheuses. La connaissance exacte de l’énergie du rayonnement laser à rayons X à laquelle la résonance se produit est également importante pour la construction d’horloges atomiques. Les scientifiques sont parvenus à «déterminer à cinq chiffres près l’énergie de résonance du scandium dans les expériences, soit 12,38959 keV. Ils étudient à présent les étapes ultérieures de la réalisation d’une telle horloge nucléaire atomique. La percée de l’excitation résonante du scandium et la mesure précise de son énergie ouvrent de nouvelles voies non seulement pour les horloges nucléaires, mais aussi pour la spectroscopie de très haute précision et la mesure précise des effets physiques fondamentaux.
Source
B.G./C.B. d’après un communiqué de presse de l’European XFEL du 27 septembre 2023 et la publication parue dans la revue Nature concernant les expérimentations avec le scandium du 27 septembre 2023