L'horloge atomique portable avec un nuage d'atomes de strontium refroidis par laser. (Institut Fédéral Physique-Technique) Les horloges atomiques sont capables des mesures physiques les plus précises que l'humanité puisse faire, mais parce qu'elles sont si complexes, elles ont été limitées à une utilisation en laboratoire - jusqu'à présent.
Pour la première fois, des scientifiques ont développé une version portable et l'ont utilisée pour prendre des mesures de gravité en dehors d'un laboratoire.
La technologie impliquée dans les horloges atomiques est à couper le souffle. Ils gardent une trace de l'oscillation extrêmement régulière des atomes piégés par les lasers pour garder le temps le plus précis possible, permettant de le mesurer à la 18ème décimale.
L'horloge atomique la plus précise jamais construite à l'aide d'atomes de strontium contenus dans un réseau de lasers - ce qu'on appelle une horloge atomique à réseau optique - ne perdra ni ne gagnera une seconde pendant 15 milliards d'années . C'est plus long que l'âge actuel de l'Univers.
Les atomes de strontium sont refroidis à une température juste supérieure à celle du zéro absolu, piégés par le motif d'interférence de deux faisceaux laser. Le laser excite l'atome, ce qui le fait osciller.
Le nouveau horloge atomique portable , également un réseau optique de strontium développé par des chercheurs du Physikalisch-Technische Bundesanstal en Allemagne, n'est pas aussi précis que le record de 2015. Il a une incertitude de 7,4 × 10−17.
Mais il est suffisamment précis pour mesurer le redshift gravitationnel, comme vient de le découvrir l'équipe internationale de chercheurs.
Nous savons que la gravité affecte la matière. Nous savons qu'elle affecte la lumière. Et, oui, cela a également un effet sur le temps - là où la gravité est plus forte, le temps se déplace plus lentement.
Vous ne pourriez pas détecter cela avec une montre ordinaire sur Terre, mais les horloges atomiques sont si précises qu'elles peuvent être utilisées pour mesurer cet effet.
Ce champ s'appelle géodésie relativiste , car, surprise, il a été prédit par la théorie d'Einstein relativité générale .
Le décalage vers le rouge gravitationnel a également été mesuré par des horloges atomiques dans un environnement de laboratoire auparavant. Le mesurer avec l'horloge atomique portable ne nous dit rien de nouveau sur le redshift gravitationnel - mais cela nous dit que l'horloge atomique portable vaut la peine d'être poursuivie.
L'horloge atomique à l'intérieur de sa remorque. (Institut Fédéral Physique-Technique)
L'équipe a conduit l'horloge dans une remorque à température stabilisée et atténuée par les vibrations jusqu'au laboratoire souterrain français de Modane, et a comparé les mesures qu'ils ont prises avec les mesures prises à l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica à Turin, à 90 kilomètres et à une différence de hauteur de 1 000 mètres (3 280 pieds).
Une liaison par fibre optique et peignes de fréquence a permis aux deux horloges d'être connectées et leurs lectures comparées avec précision.
Pendant ce temps, des mesures ont également été prises à l'aide d'une horloge à fontaine cryogénique au césium et d'une horloge à réseau optique à ytterbium. Et les chercheurs ont ensuite conduit l'horloge portable à Turin pour la vérifier par rapport aux mesures à cet endroit.
Les mesures étaient cohérentes, mais l'horloge a encore besoin d'un peu de travail, a écrit Andrew Ludlow de l'Institut national des normes et de la technologie, qui n'a pas participé à la recherche.
'Comme on pouvait s'y attendre pour ce type d'effort pionnier, la campagne de mesure n'était pas parfaite', il a écrit dans un éditorial connexe pour Physique naturelle s .
«Il y avait des périodes où l'horloge optique portable ne fonctionnait pas, et la précision des mesures était limitée en dessous de la capacité des horloges optiques.
'Et alors que la mesure géodésique relativiste s'accordait bien avec les mesures géodésiques conventionnelles, sa précision était de deux ordres de grandeur inférieure aux techniques conventionnelles.'
Néanmoins, l'expérience a prouvé le principe, représentant une étape importante vers les horloges atomiques portables.
À l'avenir, celles-ci pourraient être utilisées de manière beaucoup plus flexible que les horloges atomiques actuelles liées aux laboratoires.
Par exemple, mettre un horloge à réseau optique dans l'espace ouvrirait de nouveaux tests pour la relativité générale, la comparaison avec les horloges atomiques terrestres, la géophysique, l'interférométrie spatiale et, oui, des tests de géodésie plus relativistes à partir de basses altitudes en orbite terrestre.
Il pourrait également aider à surveiller les changements du niveau de la mer résultant de changement climatique , et aider à établir un système de référence de hauteur mondial unifié, ont noté les chercheurs.
'Les horloges optiques sont considérées comme la prochaine génération d'horloges atomiques - fonctionnant non seulement dans les laboratoires mais aussi comme instruments de précision mobiles', dit Christian Lisdat de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt.
'Cette coopération prouve une fois de plus à quel point des disciplines telles que la physique ou la métrologie, la géodésie et la recherche sur l'impact climatique peuvent s'enrichir mutuellement.'
L'article de l'équipe a été publié dans la revue Physique naturelle .