Grâce à son invention, le scientifique sino-américain Jun Ye se partagera, avec le Japonais Hidetoshi Katori, trois millions de dollars remportés dans le cadre du Breakthrough Prize 2022, catégorie physique fondamentale.
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Jun Ye et Hidetoshi Katori.
En travaillant chacun de leur côté, tous deux ont développé des techniques utilisant des lasers pour emprisonner et refroidir des atomes, puis exploiter leurs vibrations pour faire fonctionner ce que l’on appelle des horloges “à réseau optique”, les plus précises jamais conçues. Il lui faudrait ainsi 15 milliards d’années (soit environ l’âge de l’Univers) pour que ces dernières se décalent d’une seconde.
À titre de comparaison, l’actuelle génération d’horloges atomiques perd une seconde tous les 100 millions d’années.
Mais pourquoi avoir besoin d’autant de précision ?
“C’est vraiment un instrument qui vous permet d’explorer l’espace-temps dans l’univers“, explique à l’AFP Jun Ye.
Dans leur laboratoire, les chercheurs ont montré que le temps passe plus lentement pour une horloge placée seulement quelques centimètres plus bas, ce qui est cohérent avec la théorie de la relativité d’Einstein. Ces horloges pourraient aider à améliorer la précision des GPS par 1 000, ou aider à faire atterrir des vaisseaux sur Mars avec bien plus de précision.
La lutte éternelle pour mesurer le temps
Améliorer la précision de notre mesure du temps a été un défi depuis les cadrans solaires et les horloges hydrauliques des Égyptiens. Une percée importante fut l’invention de la pendule en 1656, qui utilise un poids oscillant pour mesurer le temps. Quelques dizaines d’années plus tard, les chronomètres étaient assez précis pour déterminer la position d’un bateau dans la mer.
Utiliser le temps pour se repérer est très commun. Par exemple, si vous marchez 30 minutes jusqu’à un parc et que vous connaissez la vitesse à laquelle vous vous déplacez, cela vous donnera une idée de la distance à laquelle se trouve le parc.
Le début du 20e siècle a marqué l’avènement des horloges à quartz, un minéral qui lorsqu’il est stimulé électriquement, vibre à une fréquence particulière. La fréquence désigne le nombre de vibrations en un certain laps de temps: en connaissant la fréquence d’un matériau, il est possible de mesurer le temps qui passe en comptant le nombre de vibrations.
Les montres utilisant cette technologie sont omniprésentes mais susceptibles de variations, à cause de leur processus de conception ou des conditions extérieures, comme la température.
Le pas supplémentaire a été fait en maîtrisant les oscillations d’atomes, afin de développer des horloges atomiques. Exposées à une haute fréquence, les particules appelées électrons, qui gravitent autour du noyau d’un certain type d’atome, passent à un niveau d’énergie supérieur. On appelle un atome dans cet état un atome excité.
<em>La première horloge atomique a été conçue en 1955 par Jack Parry (à gauche) et Louis Essen (à droite). <br></em>
Les horloges atomiques utilisent un oscillateur à quartz, qui génère une fréquence faisant passer les électrons à ce niveau supérieur d’énergie. Compter le nombre de ces atomes excités provoque un signal qui est envoyé en retour vers l’oscillateur, dont la fréquence devient alors ultra-précise. Celle-ci est ensuite utilisée pour faire fonctionner une horloge.
À la conquête des étoiles
Jun Ye et Hidetoshi Katori ont trouvé le moyen d’améliorer encore davantage les horloges atomiques.
À la place de l’oscillateur à quartz, ils ont utilisé des lasers avec une fréquence des centaines de milliers de fois plus rapide que celle utilisée dans les horloges atomiques classiques.. Afin de pouvoir continuer à compter les atomes, ils ont eu besoin de trouver un moyen de les maintenir en place.
Pour cela, ils ont utilisé des températures très froides, et créé un “réseau optique” : en pointant deux lasers l’un vers l’autre, des sortes de vagues se forment, et dans leur creux, des atomes de strontium sont emprisonnés.
G.E. Marti/JILA (2017)
Jun Ye est enthousiaste concernant les possibles applications de son système. Par exemple, synchroniser l’heure des meilleurs observatoires dans le monde avec ces horloges pourrait permettre aux astronomes de mieux observer les trous noirs.
Et de meilleures horloges pourraient aussi apporter leur lot de réponses sur les processus géologiques sur Terre.
En effet, la relativité nous apprend que le temps ralentit lorsqu’on s’approche d’une masse importante, donc une horloge suffisamment précise pourrait permettre de différencier une roche solide d’une roche volcanique sous la surface, et aider à prévoir des éruptions.
Ou mesurer le niveau des océans, ou l’eau coulant sous le désert. Le prochain défi, dit Jun Ye, sera de miniaturiser la technologie, afin de pouvoir la transporter en dehors d’un laboratoire.
Le scientifique admet que le sujet est complexe à aborder avec le grand public. “Mais quand les gens entendent parler d’horloge, ils sentent que c’est une chose tangible, ils peuvent sentir une connexion et c’est très gratifiant.”
