Les premières horloges nucléaires tournent à Vienne et Pékin après 50 ans de quête

Une horloge nucléaire, qui compte le temps avec le noyau d’un atome au lieu de ses électrons, a enfin commencé à tictaquer. À Vienne, un laser verrouillé sur des noyaux de thorium enfermés dans un cristal a gardé son propre rythme pendant plus d’une journée entière sans que personne n’y touche, et une équipe à Pékin a construit une seconde horloge du même type de son côté.

Ce sont ainsi les premières horloges nucléaires fonctionnelles, un dispositif que les physiciens poursuivent depuis des décennies. Le noyau est minuscule et protégé par son propre nuage électronique, de sorte que les champs parasites, la chaleur et les vibrations l’atteignent à peine. Une horloge bâtie sur lui pourrait un jour mesurer le temps avec plus de stabilité que les horloges atomiques qui régissent la navigation par satellite, l’internet et la définition de la seconde.

L’horloge viennoise vient du groupe de Thorsten Schumm à la TU Wien et du groupe d’Ekkehard Peik au PTB, l’institut national de métrologie allemand. L’horloge pékinoise vient d’une équipe de la Tsinghua University dirigée par Shiqian Ding, travaillant avec 13 autres institutions chinoises. Les deux articles sont parus dans le même numéro de Nature, et tous deux utilisent le même isotope rare, le thorium-229.

« La création d’une horloge nucléaire était quelque chose dont les physiciens rêvaient depuis près de 50 ans », a déclaré Schumm à Reuters. Sa propre équipe y travaille depuis 2008.

Comment un cristal et un laser gardent le temps

Toute horloge a besoin de quelque chose qui oscille à une fréquence fixe. Dans une horloge à pendule, c’est le pendule. Dans une horloge atomique, c’est la lumière qu’un électron absorbe lorsqu’il saute entre deux niveaux d’énergie, ce qui, dans les meilleures horloges optiques modernes, oscille bien plus vite que toute pièce mécanique ne le pourrait.

Une horloge nucléaire déplace ce travail dans le noyau. Les protons et les neutrons ont aussi des niveaux d’énergie, mais presque tous se situent bien trop haut pour qu’un laser puisse les atteindre. Le thorium-229 est l’exception : son noyau possède un état excité assez bas pour être entraîné par une lumière ultraviolette du vide à une longueur d’onde d’environ 148 nanomètres. L’atteindre reste difficile. Le laser doit correspondre à l’énergie de transition à moins d’un millionième d’électron-volt, selon le PTB.

L’équipe de Schumm a fait croître des cristaux de fluorure de calcium dopés au thorium-229, des morceaux de taille millimétrique qui contiennent un grand nombre de noyaux à température ambiante. « L’idée de base est simple : vous avez un laser et vous avez du thorium », a dit Schumm. Les noyaux n’absorbent la lumière qu’à une seule fréquence précise. Si le laser dérive, par exemple parce que la pièce se réchauffe légèrement, le cristal absorbe moins, un détecteur enregistre la baisse et une boucle de rétroaction ramène le laser. Les noyaux deviennent la référence, et la fréquence corrigée du laser devient le tic de l’horloge.

Deux changements techniques ont rendu cela possible. Le PTB et l’Institut Max Born de Berlin ont construit un laser compact à semi-conducteurs qui émet en continu ; l’ancien système remplissait plusieurs mètres carrés de tables d’optique et ne tirait que par impulsions. Les équipes ont aussi cessé de compter la faible lueur que les noyaux émettent après excitation, ce qui prenait environ dix minutes à lire, bien trop lent pour diriger un laser. Elles mesurent plutôt la quantité de puissance laser que le cristal absorbe, un signal assez rapide pour fermer la boucle.

Vienne contre Pékin

L’horloge viennoise a fonctionné pendant plus de 24 heures sans surveillance tout en étant comparée à une horloge atomique optique conventionnelle. Son instabilité fractionnelle était d’environ 3 × 10⁻¹² sur une seconde de moyennage, et cette dispersion diminuait vers 10⁻¹⁵ sur une journée. La TU Wien traduit cela en une erreur d’environ une seconde tous les 30 millions d’années, un chiffre mesuré sur une période d’une journée, non observé sur des millions d’années.

L’horloge pékinoise est plus stable sur les courtes durées. Son instabilité sur une seconde est environ six fois plus faible que celle de Vienne, selon les chiffres rapportés par Physics World. L’équipe de Ding a construit son propre laser continu à 148,4 nanomètres avec plus de puissance, et a appris à faire croître de petits cristaux à partir de seulement 1,4 microgrammes de thorium-229, car la Chine a un accès limité à l’isotope. Deux cristaux cultivés indépendamment ont donné la même fréquence de transition, qui correspondait également aux mesures antérieures de JILA dans le Colorado.

Schumm voit les deux résultats comme complémentaires. Les cristaux viennois portent une concentration plus élevée de thorium et ont de meilleures propriétés optiques, a-t-il dit à Reuters, tandis que l’équipe pékinoise a le laser le plus puissant. « Donc déjà en assemblant ces composants, nous pouvons construire une horloge significativement meilleure », a-t-il déclaré.

« Les deux équipes ont travaillé indépendamment et ont atteint en même temps des horloges nucléaires opérationnelles au thorium-229, en utilisant des approches expérimentales différentes », a dit Ding à Reuters, ajoutant que cela montre « que le concept est robuste ».

Ce que ces horloges ne font pas encore

Aucune des deux horloges ne bat les horloges atomiques contre lesquelles elles ont été mesurées. « Ce n’est pas encore au niveau des meilleures horloges atomiques optiques mondiales », a dit Schumm. Peik s’est montré plus direct dans l’annonce du PTB : la stabilité « n’établit pas encore de records du monde ».

Le plus grand écart est la finesse de la résonance. « Nous avons maintenant vu une largeur de raie de 30 kHz, mais la largeur de raie naturelle devrait être bien en dessous de 1 Hz », a dit Peik à Physics World. Une résonance floue signifie un tic flou. Le cristal lui-même fait partie de l’énigme : le thorium se trouve dans plusieurs sites différents du réseau de fluorure de calcium, et les équipes cherchent encore comment cela façonne la résonance. Ding a déclaré que les cristaux hôtes de fluorure de calcium limitent les performances et que de meilleurs matériaux hôtes sont nécessaires.

Les deux machines sont aussi des prototypes de laboratoire. Elles dépendent d’horloges de référence pour la comparaison, de lasers ultraviolets sur mesure et d’un isotope difficile à obtenir. Un appareil robuste qu’un navire, un satellite ou un centre de données pourrait emporter est encore un long chemin d’ingénierie.

Pourquoi les physiciens veulent une meilleure horloge

Les horloges décident déjà d’une plus grande partie de la vie quotidienne que la plupart des gens ne le remarquent. La navigation par satellite calcule la position à partir de minuscules différences de synchronisation des signaux. Les réseaux de données sont synchronisés sur le temps atomique. Les géomètres et les géophysiciens utilisent le fait que les horloges tictaquent à des rythmes différents à différentes hauteurs dans la gravité terrestre.

Une horloge nucléaire ajoute deux choses. D’abord, une conception à l’état solide, sans atomes ou ions piégés dans une chambre à vide, pourrait à terme rendre la mesure précise du temps plus petite et plus robuste. Ensuite, la transition du thorium dépend des forces à l’intérieur du noyau, donc elle devrait réagir bien plus fortement que les transitions atomiques si une constante de la nature dérive ou si une forme de matière noire tire sur la matière ordinaire. L’équipe viennoise a déjà effectué ce test avec son prototype. Elle n’a trouvé aucun signal de matière noire, mais ses limites sur le couplage de la matière noire à la lumière et à la force forte sont déjà comparables à celles fixées par les meilleures horloges atomiques.

Victor Flambaum de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, qui n’a pas participé, a qualifié les dispositifs de « premiers prototypes d’horloges nucléaires ». Le verdict de Schumm était plus large : « Cela donne accès à tout un nouvel univers de physique. »

Questions courantes sur l’horloge nucléaire

Qu’est-ce qu’une horloge nucléaire ?

Une horloge nucléaire mesure le temps en utilisant une transition à l’intérieur d’un noyau atomique au lieu d’un saut entre des niveaux d’énergie électroniques. Un laser est accordé sur la fréquence exacte que le noyau absorbe, et cette fréquence devient le tic de l’horloge. Le thorium-229 est le seul noyau connu avec une transition assez basse en énergie pour être atteinte avec un laser.

Une horloge nucléaire est-elle radioactive ou dangereuse ?

Elle n’a rien à voir avec la fission ou la fusion et ne produit aucune énergie nucléaire. Le thorium-229 est un isotope radioactif, mais les horloges utilisent de minuscules quantités enfermées dans un cristal, et le laser ne fait que pousser le noyau dans un état d’énergie légèrement supérieur.

Une horloge nucléaire est-elle plus précise qu’une horloge atomique ?

Pas encore. Les prototypes de Vienne et Pékin sont moins stables que les meilleures horloges atomiques optiques. On s’attend à ce que le noyau, étant bien plus petit et mieux protégé que la couche électronique, permette éventuellement de meilleures performances une fois les lasers et les cristaux améliorés.

À quoi pourraient servir les horloges nucléaires ?

Les chercheurs citent la navigation par satellite, la synchronisation des réseaux, la topographie et la physique fondamentale. Parce que la transition du thorium est très sensible aux forces à l’intérieur du noyau, ces horloges sont aussi des outils pour rechercher la matière noire et des changements dans les constantes de la nature.

Lasers plus puissants, meilleurs cristaux, ions uniques

Le noyau de thorium a été excité pour la première fois avec un laser en avril 2024, par les équipes de Schumm et Peik, des décennies après que Peik eut proposé le principe de l’horloge nucléaire en 2003. Cet automne, le montage a été relié à une horloge atomique optique conventionnelle. L’horloge viennoise auto-stabilisée est décrite dans un article de Nature publié le 7 octobre 2026, aux côtés de l’article de l’Université Tsinghua dans le même numéro et d’une étude complémentaire du PTB et de la TU Wien sur l’absorption laser continue par le noyau de thorium, publiée dans Nature en septembre.

Les prochaines étapes sont concrètes. Le groupe de Peik prévoit d’augmenter la puissance laser, d’améliorer le rapport signal sur bruit du détecteur et de cartographier la façon dont le thorium se trouve dans le cristal pour trouver ce qui brouille la résonance. L’équipe de Ding cherche des cristaux hôtes meilleurs que le fluorure de calcium et s’intéresse à une horloge basée sur des ions de thorium uniques piégés, ce que Ding a qualifié de « techniquement beaucoup plus difficile » mais peut-être la voie vers la plus haute précision.

Références : Toscani De Col et al., « A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop », Nature, 2026. DOI : 10.1038/s41586-026-11084-4 ; Huang et al., « A nuclear clock synchronized to 229Th », Nature, 2026. DOI : 10.1038/s41586-026-11122-1

Étiquettes: physique, horloge atomique, horloge nucléaire, PTB, thorium-229, Tsinghua University