Deux équipes indépendantes — l’une européenne, l’autre chinoise — viennent de construire les premières horloges basées non pas sur les électrons, mais sur le noyau atomique lui-même. Une distinction technique qui pourrait rendre ces horloges plus précises que tout ce que l’humanité a jamais construit — et capables de détecter la matière noire.

Ce que vous allez apprendre

• Ce qui distingue fondamentalement une horloge nucléaire d’une horloge atomique classique
• Pourquoi le thorium-229 est l’élément idéal pour cette technologie — et ce qui avait bloqué sa réalisation pendant 20 ans
• Ce que ces deux prototypes démontrent concrètement sur la fiabilité et les applications futures

Les horloges atomiques, déjà extraordinairement précises

Les horloges atomiques existent depuis les années 1950. Elles mesurent le temps en suivant les oscillations des électrons qui passent d’un état énergétique à un autre lorsqu’ils sont stimulés par un laser. Leur précision est telle qu’elles ne perdraient pas une seconde sur des milliards d’années.

Pourtant, elles ont une faiblesse structurelle : les électrons occupent les régions externes de l’atome, exposées aux interférences de l’environnement. Champs électromagnétiques, température, vibrations — autant de facteurs qui peuvent légèrement perturber leur tic-tac.

Le noyau comme ancre plus stable

L’idée des horloges nucléaires, proposée dès 2003, repose sur une logique simple : remplacer les électrons par le noyau atomique lui-même comme référence temporelle. Profondément enfoui au centre de l’atome, le noyau est bien moins sensible aux influences extérieures.

En théorie, une horloge nucléaire pourrait surpasser les meilleures horloges atomiques actuelles en stabilité — et servir d’outil de précision pour détecter des phénomènes subtils comme la matière noire ou d’éventuels changements dans les constantes fondamentales de la physique.

Le problème : les transitions nucléaires requièrent généralement des énergies bien supérieures aux transitions électroniques, les rendant inaccessibles aux lasers disponibles. Le thorium-229 fait exception — son état de transition d’énergie est exceptionnellement bas, accessible à la spectroscopie laser ultraviolette.

Crédit : Chuankun Zhang/JILA

Dispositif expérimental pour une horloge atomique au thorium-229.

Deux équipes, deux approches, une même percée

En 2024, des chercheurs autrichiens et allemands avaient déclenché pour la première fois la transition énergétique du thorium-229. L’étape suivante — transformer ce tic-tac en horloge fonctionnelle — vient d’être franchie simultanément par deux équipes indépendantes.

L’équipe européenne, dirigée par Luca Toscani De Col à l’Université technique de Vienne, a construit un dispositif entièrement autonome. Des noyaux de thorium-229 inclus dans des cristaux de fluorure de calcium sont interrogés par un laser ultraviolet sous vide. Le noyau stabilise en continu la fréquence du laser — une horloge qui fonctionne seule, sans ajustement externe.

Comparée à une horloge atomique à ions ytterbium de référence, elle a démontré sa stabilité sur le long terme. L’équipe l’a également utilisée pour rechercher des traces de matière noire ultralégère, établissant de nouvelles contraintes sur plusieurs modèles théoriques — rivalisant avec les meilleures horloges atomiques existantes sur certains paramètres.

La reproductibilité, défi résolu par l’équipe chinoise

L’équipe de Beichen Huang à l’Université Tsinghua s’est attaquée à un problème différent : les horloges nucléaires seraient-elles reproductibles, ou chaque cristal nécessiterait-il son propre étalonnage ?

En testant deux cristaux de fluorure de calcium fabriqués indépendamment, les chercheurs ont obtenu des fréquences quasi identiques. Ce résultat est crucial : il suggère que les horloges nucléaires pourraient devenir des standards reproductibles à grande échelle, pas de simples démonstrations de laboratoire.

Un début, pas encore un record

Ces prototypes ne surpassent pas encore les meilleures horloges atomiques — qui ont 70 ans d’avance technologique. Mais ils prouvent que les horloges nucléaires fonctionnent dans le monde réel, pas seulement dans les équations. Si les prévisions des physiciens se confirment, elles pourraient dépasser les standards actuels d’ici quelques années seulement.

Les horloges ont été décrites dans des prépublications téléchargées sur arXiv, ici et ici.