Les premières horloges nucléaires au thorium opérationnelles font des noyaux atomiques des garde-temps

Une horloge nucléaire fonctionne pendant plus d'une journée

À Vienne, un prototype a maintenu son laser synchronisé avec des noyaux de thorium pendant plus de 24 heures sans intervention. À Pékin, une équipe indépendante a fait la démonstration d'une horloge similaire, utilisant un laser ultraviolet plus puissant et seulement 1,4 microgramme de thorium 229 pour faire croître l'un de ses cristaux. Publiés le 7 octobre 2026 dans Nature, ces deux résultats font passer les horloges nucléaires de la mesure d'un noyau atomique prometteur à des dispositifs capables de réguler eux-mêmes leur rythme.

La collaboration européenne, dirigée par Thorsten Schumm de la TU Wien et Ekkehard Peik de l'institut national de métrologie allemand PTB, a obtenu une instabilité de fréquence proche d'une partie par quadrillion après une journée de moyennage. La collaboration chinoise, dirigée par Shiqian Ding de l'université Tsinghua, a rapporté un coefficient d'instabilité plus faible, indiquant une stabilité environ six fois supérieure selon la relation de moyennage rapportée.

Aucun des deux prototypes n'a surpassé les meilleures horloges atomiques optiques. La percée tient plutôt au fait qu'une transition nucléaire fournit désormais le signal de rétroaction nécessaire pour contrôler une horloge en fonctionnement. L'équipe de Vienne a déjà mis cette capacité à profit pour rechercher de la matière noire ultralégère. Elle n'a détecté aucun signal, mais a pu établir des limites pour certaines interactions proposées.

Dans son communiqué sur l'horloge nucléaire, la TU Wien décrit un système qui corrige automatiquement la fréquence du laser lorsque la réponse des noyaux de thorium change. Schumm, professeur à l'Institut de physique atomique et subatomique de l'université, explique l'objectif essentiel :

Ce que l'on veut vraiment, c'est une horloge nucléaire à stabilisation automatique.

Cette distinction différencie ces démonstrations des expériences antérieures, qui excitaient les noyaux de thorium ou mesuraient leur fréquence de transition tout en s'appuyant sur une horloge externe pour stabiliser la lumière.

Qu'est-ce qui distingue le thorium 229 ?

Une horloge atomique optique utilise une transition entre des niveaux d'énergie électroniques comme référence de fréquence. Une horloge nucléaire déplace cette référence dans le noyau, où les protons et les neutrons peuvent occuper différents états quantiques. Dans les deux cas, les oscillations régulières de la lumière donnent le rythme, tandis que la transition choisie maintient le laser à la bonne fréquence.

La plupart des transitions nucléaires nécessitent beaucoup plus d'énergie que ce que peuvent fournir les lasers conventionnels. Le thorium 229 est le seul noyau connu dont une transition est directement accessible avec la technologie laser actuelle. Son état excité exceptionnellement bas, appelé isomère, se situe environ 8,4 électronvolts au-dessus de l'état fondamental. Cette énergie correspond à une lumière ultraviolette proche de 148 nanomètres.

Cette lumière se situe dans la gamme de l'ultraviolet du vide, difficile à produire et à manipuler. La production d'une gamme de fréquences laser suffisamment stable et étroite à cette longueur d'onde constituait l'un des principaux défis techniques auxquels les deux équipes ont été confrontées.

Le terme « nucléaire » ne signifie pas que l'horloge fonctionne grâce à un réacteur, à la fission ou à la fusion. Le thorium 229 est radioactif, mais sa désintégration n'est pas le mécanisme qui donne le rythme. L'horloge utilise la lumière laser pour sonder une transition à l'intérieur de son noyau.

Les noyaux sont plus de dix mille fois plus petits que les atomes et sont en partie protégés par les électrons qui les entourent. Ils réagissent généralement moins fortement aux perturbations électriques et magnétiques extérieures, ce qui ouvre la voie à des références de fréquence plus stables. Les expériences actuelles montrent également que l'incorporation des noyaux dans un cristal n'élimine pas tous les effets de l'environnement.

Comment le cristal corrige le laser

Les deux équipes ont incorporé du thorium 229 dans des cristaux de fluorure de calcium, qu'elles ont éclairés avec une lumière laser continue proche de 148,4 nanomètres. Lorsque la lumière correspond à la transition nucléaire choisie, les noyaux l'absorbent. Un détecteur mesure la lumière transmise, ce qui permet aux chercheurs de déterminer si le laser s'est écarté de la résonance.

Une boucle électronique de rétroaction modifie alors la fréquence du laser pour la ramener à la bonne valeur. Le noyau n'est plus simplement un objet que l'on mesure. Sa réponse commande l'oscillateur qui fournit le signal de l'horloge.

L'article de l'équipe de Vienne sur son horloge, dirigé par Luca Toscani de Col, décrit une rétroaction rapide reposant sur la spectroscopie d'absorption dans un cristal de seulement quelques millimètres de diamètre, fonctionnant à température ambiante. Une cavité optique distincte assure la stabilité à court terme, tandis que la transition nucléaire corrige les dérives à plus long terme.

L'absorption est essentielle, car attendre que les noyaux excités émettent de la lumière peut prendre du temps. L'article de Vienne indique que l'absorption fournit environ mille fois plus de photons utiles par seconde que la détection par fluorescence. Les corrections peuvent ainsi être effectuées sur des durées inférieures à la durée de vie de l'état excité, ce qui permet de rechercher plus rapidement des variations de la transition.

Deux laboratoires, des choix techniques différents

La collaboration européenne réunit des chercheurs d'Allemagne, d'Autriche et de Tchéquie. L'équipe de Pékin comprend l'université Tsinghua, l'Académie des sciences de l'information quantique de Pékin et des collaborateurs de toute la Chine. Beichen Huang figure en tête de la liste des auteurs de l'étude chinoise.

Vienne a utilisé un cristal dont la concentration en thorium est plus élevée, tandis que Pékin a compensé la quantité limitée d'isotopes disponibles par une puissance laser nettement supérieure. Les deux approches s'attaquent au même problème : obtenir un signal d'absorption suffisamment fort pour déterminer l'écart entre le laser et la résonance nucléaire.

L'article de l'équipe Tsinghua sur son horloge décrit une source produisant 10 microwatts de lumière ultraviolette grâce à un procédé qui combine des champs laser dans de la vapeur de cadmium. Environ 5 microwatts atteignaient la face avant du cristal. L'appareil européen utilisait une autre méthode de conversion non linéaire, faisant intervenir un cristal de tétraborate de strontium.

Le cristal de fluorure de calcium amélioré de Pékin a été élaboré à partir d'une solution contenant seulement 1,4 microgramme de thorium 229, avec une activité de 10 kilobecquerels. Cette activité mesure les désintégrations radioactives, et non les battements de l'horloge. L'article souligne que la rareté de l'isotope ne laissait pratiquement aucune marge pour répéter les essais et optimiser la croissance du cristal.

Shiqian Ding, physicien à l'université Tsinghua, estime que ces démonstrations indépendantes renforcent la confiance dans la viabilité du concept d'horloge avec différentes configurations techniques :

[Les équipes ont] travaillé indépendamment et sont parvenues en même temps à faire fonctionner des horloges nucléaires au thorium 229, en suivant des approches expérimentales différentes. Je trouve cela très encourageant, car cela montre que le concept est robuste et ne dépend pas d'une mise en œuvre technique particulière.

Les deux groupes comptent améliorer leurs systèmes et tirer parti des enseignements de ces deux approches. Un plus grand nombre de noyaux et davantage de lumière ultraviolette exploitable pourraient fournir ensemble un signal plus fort que l'un ou l'autre de ces atouts pris séparément.

Quelle est la précision des prototypes ?

L'article de Vienne rapporte une instabilité de fréquence relative de 3 × 10^-12 divisé par la racine carrée du temps de moyennage en secondes. L'article chinois rapporte 5 × 10^-13 selon la même loi d'échelle. Le rapport entre ces coefficients est de six, ce qui fonde la comparaison entre les deux horloges.

L'instabilité de fréquence décrit l'ampleur des fluctuations du rythme d'une horloge pendant une mesure. Le moyennage peut réduire les fluctuations aléatoires. La précision répond à une autre question : après prise en compte des biais, à quel point la fréquence mesurée correspond-elle à la valeur exacte ? La répétabilité indique si un autre essai, ou un autre cristal, donne le même résultat.

Dolores del Campo Maldonado, directrice de la division des grandeurs mécaniques et de l'ingénierie du Centre espagnol de métrologie, relève comme points forts distincts la meilleure stabilité à court terme de l'horloge chinoise et la comparaison de l'expérience autrichienne avec une horloge à ytterbium. Aucun de ces résultats ne démontre une supériorité sur les meilleures horloges atomiques à tous les égards.

Les différentes publications ne convertissent pas les résultats de la même façon en erreur de temps accumulée. La TU Wien estime à environ une seconde en 30 millions d'années l'écart du prototype viennois, sur la base d'une précision proche de 10^-15. Une autre publication estime cet écart à environ une seconde en 3 millions d'années pour l'horloge européenne et en 19 millions d'années pour l'appareil chinois. Une description antérieure du résultat chinois situait son instabilité autour d'une partie pour 10 000 milliards après une journée, tandis que l'article final rapporte un moyennage jusqu'au niveau de 10^-15 sur la durée mesurée.

Ces chiffres ne doivent pas être considérés comme des garanties interchangeables de précision absolue. Pour comparer les résultats, mieux vaut s'en tenir aux mesures d'instabilité publiées et à leurs conditions de moyennage. Les horloges atomiques optiques actuelles restent en tête, avec des performances rapportées équivalant à une seconde sur des dizaines de milliards d'années, notamment un exemple à l'ytterbium estimé à 23 milliards d'années.

Le cristal influe encore sur le résultat

L'étude de Vienne a montré que les fréquences mesurées à des jours différents n'étaient reproductibles qu'à environ 5 × 10^-13, un résultat moins bon que l'instabilité obtenue au cours d'une mesure continue. Avant chaque essai, il fallait réaligner le laser, qui traversait alors des zones légèrement différentes du cristal.

Les mesures effectuées à différents endroits ont révélé des décalages pouvant atteindre 1,7 kilohertz dans la fréquence centrale de la transition. Les chercheurs soupçonnent des contraintes locales dues à une structure irrégulière du cristal. Les mesures répétées au même endroit ont donné des résultats reproductibles, ce qui souligne la nécessité de contrôler le trajet du laser dans le matériau.

L'équipe de Pékin a testé deux cristaux fabriqués indépendamment. Les fréquences de transition mesurées différaient d'environ 560 hertz, soit un écart relatif de 2,8 × 10^-13, avec une incertitude de 0,6 × 10^-13. Compte tenu des incertitudes combinées, les deux cristaux étaient également compatibles avec des mesures antérieures effectuées sur d'autres cristaux de fluorure de calcium au laboratoire JILA, aux États-Unis.

L'appareil de Pékin contrôlait les fluctuations de température et utilisait un blindage magnétique. Le cristal amélioré transmettait 7 % de la lumière ultraviolette, contre environ 1 % pour le cristal précédent. Ces améliorations, combinées à des changements apportés au détecteur et à un signal d'absorption plus fort, ont fortement réduit le bruit de mesure.

Akio Kawasaki, de l'Institut national de métrologie du Japon, désigne les champs électriques extérieurs comme une source majeure d'incertitude pour les horloges. Les transitions nucléaires offrent une protection contre ce type de perturbation, mais les résultats des prototypes montrent que la qualité des matériaux, le contrôle de la température et l'évaluation rigoureuse des décalages de fréquence restent indispensables.

Une recherche de matière noire sans détection

L'équipe de Vienne a comparé son horloge nucléaire à une horloge à ion ytterbium de l'Office fédéral autrichien de métrologie et de topographie, à l'aide d'une liaison par fibre optique stabilisée. L'expérience a recherché des variations périodiques et des dérives lentes de leur rapport de fréquence pendant environ 23 heures, en sondant des durées allant de 20 secondes à près d'une journée.

Selon certaines théories, la matière noire ultralégère pourrait provoquer de minuscules oscillations des constantes fondamentales. Les transitions nucléaires et électroniques réagiraient différemment, faisant de la comparaison entre les deux horloges un test utile. Aucun signal périodique statistiquement significatif n'a été observé, et la dérive lente mesurée était compatible avec zéro.

L'absence de signal a permis à l'équipe de restreindre les interactions possibles avec les photons, la force nucléaire forte et les masses des quarks. Pour les photons, les limites obtenues rivalisent avec celles des principales horloges atomiques comparables. Pour certaines interactions impliquant la force forte et les quarks, l'article indique une sensibilité allant de 10 à 1 000 fois plus loin dans les plages de paramètres testées que lors des expériences antérieures avec des horloges atomiques.

L'avantage du thorium tient à son équilibre énergétique inhabituel. De bien plus grandes contributions électromagnétiques et nucléaires s'annulent presque, ne laissant subsister que la faible transition de 8,4 électronvolts. Une légère variation de ces contributions pourrait donc entraîner une variation relativement importante de la fréquence de l'horloge.

José R. Crespo López-Urrutia, chercheur à l'Institut Max-Planck de physique nucléaire de Heidelberg, estime que la sensibilité à certains effets hypothétiques de la matière noire pourrait être presque 10 000 fois supérieure à celle des meilleures horloges atomiques optiques. Cela décrit une réponse potentielle à certains effets, et non une amélioration universelle de la mesure du temps ni une détection de matière noire. Il a indiqué avoir déjà collaboré avec certains groupes d'auteurs, sans avoir participé directement à ces études.

L'article de Vienne précise également qu'il n'est pas encore possible de calculer les facteurs de sensibilité exacts, car certains paramètres nucléaires restent inconnus. Ses résultats contraignent certains modèles et interactions, mais pas toutes les formes possibles de matière noire.

Les étapes qui ont mené aux horloges opérationnelles

Ces résultats sont le fruit d'années de travail pour établir l'existence de l'état excité, en déterminer l'énergie et mettre au point des lasers adaptés. Schumm affirme que son équipe travaille sur une horloge nucléaire depuis 2008. Peik et Christian Tamm ont proposé l'approche de l'horloge au thorium en 2003.

• 2016 : selon le rappel historique de l'article de Vienne, des chercheurs ont démontré l'existence de l'isomère du thorium en étudiant son processus de désintégration.
• 12 septembre 2019 : la TU Wien a décrit deux expériences ayant permis d'affiner les connaissances sur la transition, avant la mise au point d'une horloge opérationnelle.
• Avril 2024 : la collaboration entre la TU Wien et le PTB a directement excité la transition nucléaire du thorium à l'aide d'un laser.
• Automne 2024 : des chercheurs ont couplé un appareil d'excitation du thorium à une horloge atomique optique conventionnelle.
• 2025 : des sources laser ultraviolettes continues et des mesures d'absorption ont permis de sonder durablement la transition.
• 7 octobre 2026 : deux études publiées dans Nature ont fait état d'horloges nucléaires opérationnelles dotées d'une rétroaction.

Le communiqué de la TU Wien sur les étapes franchies en 2019 détaille une mesure indirecte réalisée à l'aide d'ions de thorium produits par la désintégration de l'uranium 233. Environ 2 % de ces ions se sont retrouvés dans l'état excité. Leur passage à travers du graphène les a neutralisés, et l'énergie des électrons ensuite émis a contribué à établir l'énergie de l'état nucléaire.

Une expérience distincte menée au Japon a utilisé d'intenses rayons X synchrotron pour peupler un état nucléaire bien plus élevé, qui s'est ensuite désintégré principalement en l'isomère recherché. Il s'agissait d'étapes visant à localiser et à mesurer la transition, et non de démonstrations d'horloges opérationnelles.

Une présentation universitaire du cluster quantA attribue à l'équipe de Schumm la détermination de l'énergie de transition à 12 décimales et le développement de l'excitation ultraviolette par génération d'harmoniques élevées. Elle décrit la construction des prototypes comme une phase d'ingénierie menée dans le cadre du cluster d'excellence quantA et d'un projet Synergy du Conseil européen de la recherche. Les nouvelles démonstrations avec rétroaction vont au-delà de cette étape antérieure.

Quelles améliorations avant une utilisation concrète ?

Les priorités immédiates sont des lasers plus puissants et plus stables, de meilleurs détecteurs, ainsi que des cristaux plus purs et plus homogènes. Vienne doit améliorer la reproductibilité entre les essais. Pékin étudie de meilleurs matériaux hôtes et la possibilité de créer une horloge à ions de thorium, qui isolerait davantage les noyaux, mais serait plus difficile à réaliser sur le plan technique.

Les publications rapportent également des largeurs de résonance différentes. Peik évoque une largeur mesurée de 30 kilohertz, tandis que l'article de Vienne utilise environ 100 kilohertz dans son analyse des performances de l'horloge. L'article chinois rapporte une largeur de 27 kilohertz pour la transition choisie dans le cristal amélioré. Ces mesures ne doivent pas être ramenées à une largeur unique. Elles restent toutes bien supérieures à la largeur naturelle attendue de la résonance nucléaire, ce qui indique qu'une amélioration est possible.

Parmi les utilisations envisagées figurent la navigation par satellite, les télécommunications, la synchronisation des transferts de données et la topographie. Le communiqué de la TU Wien sur les applications en 2024 évoque également la mesure du champ gravitationnel terrestre grâce aux variations du rythme des horloges dues à la gravité, avec des applications possibles dans la recherche de minerais et l'étude de la tectonique des plaques. La prédiction des séismes qu'il mentionne est une application envisagée, et non une capacité démontrée.

Daniel de Mercado, physicien au Centre espagnol de métrologie, explique que des mesures précises des transitions peuvent permettre de vérifier si les valeurs observées diffèrent des prévisions théoriques. De tels écarts pourraient signaler des interactions inconnues. Pour les prototypes actuels, ce rôle dans la recherche est plus immédiat que le remplacement des horloges des infrastructures du quotidien.

Del Campo considère qu'une précision supérieure à 10^-19 pourrait constituer un avantage à l'avenir, mais doute que les horloges nucléaires soient prêtes à peser sur une éventuelle redéfinition de la seconde en 2030. Ces démonstrations ne s'accompagnent d'aucune date confirmée de déploiement ni d'un calendrier de remplacement des références horaires existantes. La prochaine étape consiste à démontrer que les appareils améliorés peuvent combiner une faible instabilité, des fréquences reproductibles et une précision bien comprise.

Points clés

• Des équipes européennes et chinoises indépendantes ont présenté des horloges nucléaires au thorium opérationnelles dans Nature le 7 octobre 2026.
• Les deux horloges utilisent l'absorption ultraviolette dans des cristaux de fluorure de calcium contenant du thorium pour corriger la fréquence de leur laser.
• Le prototype de Vienne a fonctionné plus de 24 heures sans intervention.
• Le coefficient d'instabilité rapporté pour l'horloge chinoise est six fois plus faible que celui de l'horloge européenne.
• Aucun des deux prototypes ne surpasse encore les meilleures horloges atomiques optiques.
• La recherche de matière noire menée à Vienne n'a détecté aucun signal, mais a permis de restreindre certaines interactions théoriques.
• L'homogénéité des cristaux, la puissance des lasers et la reproductibilité restent des défis majeurs avant tout déploiement pratique.