Des physiciens de l’UCLA ont mis au point une méthode simple pour créer des horloges nucléaires ultra-précises en utilisant de faibles quantités de thorium rare, en empruntant une technique de la bijouterie. En électrodéposant du thorium sur de l’acier, l’équipe a obtenu des résultats comparables à des années de fabrication complexe de cristaux, mais avec 1 000 fois moins de matériau. Cette avancée pourrait permettre un maintien de l’heure fiable dans des environnements sans GPS, comme l’espace profond et les sous-marins.
L’année dernière, une équipe dirigée par l’UCLA a marqué la fin d’une quête de demi-siècle en contrôlant avec succès l’absorption et la libération de photons par des noyaux radioactifs de thorium-229, une étape proposée pour la première fois en 2008. Cette percée pave la voie à des horloges nucléaires bien plus précises que les horloges atomiques, révolutionnant potentiellement la navigation, les communications et les tests de constantes fondamentales de la physique. Cependant, la rareté du thorium-229 — limitée à environ 40 grammes dans le monde à partir d’uranium de qualité militaire — posait un obstacle majeur. Les expériences traditionnelles reposaient sur des cristaux de fluorure dopés au thorium, qui ont pris 15 ans à développer et nécessitaient au moins 1 milligramme de thorium par lot. « Les cristaux sont vraiment difficiles à fabriquer. Cela prend une éternité et la plus petite quantité de thorium que nous pouvons utiliser est de 1 milligramme, ce qui est beaucoup quand il n’y en a que 40 grammes disponibles », a déclaré Ricky Elwell, chercheur postdoctoral à l’UCLA et premier auteur du travail précédent. Dans une nouvelle étude publiée dans Nature, l’équipe internationale d’Eric Hudson a surmonté cela en électrodéposant une fine couche de thorium sur de l’acier inoxydable, une technique du XIXe siècle utilisée pour revêtir des métaux comme l’or sur des matériaux de base. Cette approche n’utilise qu’un millième de thorium et produit un produit durable. « Il nous a fallu cinq ans pour découvrir comment faire pousser les cristaux de fluorure et maintenant nous avons trouvé comment obtenir les mêmes résultats avec l’une des techniques industrielles les plus anciennes et en utilisant 1 000 fois moins de thorium », a expliqué Hudson. L’idée clé a remis en question une hypothèse centrale : les noyaux de thorium peuvent être excités dans des matériaux opaques, les émissions étant détectées sous forme d’électrons via un courant électrique plutôt que de photons par transparence. « Tout le monde avait toujours supposé qu’il fallait que le thorium soit intégré dans un matériau transparent à la lumière pour exciter et observer la transition nucléaire... Dans ce travail, nous avons montré que ce n’est tout simplement pas vrai », a noté Hudson. De telles horloges pourraient améliorer les réseaux électriques, les réseaux cellulaires et les satellites GPS, tout en fournissant une navigation indépendante du GPS pour les sous-marins — où les horloges atomiques actuelles dérivent, nécessitant une remontée en surface — et les missions dans l’espace profond. « Les horloges nucléaires au thorium pourraient aussi révolutionner les mesures de physique fondamentale... et pourraient être utiles pour établir une échelle de temps à l’échelle du système solaire », a déclaré Eric Burt du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Makan Mohageg de Boeing a ajouté que la méthode pourrait réduire les coûts pour un maintien de l’heure compact et stable en aérospatiale. La recherche, financée par la National Science Foundation, a impliqué des collaborateurs de l’University of Manchester, de l’University of Nevada Reno, du Los Alamos National Laboratory et d’institutions européennes.
