Les physiciens ont récemment dévoilé au public la montre la plus précise au monde, dont la conception unique est basée sur l'organisation spéciale des atomes de strontium dans un espace tridimensionnel. Il s'est avéré que cet appareil est utile non seulement pour mesurer le temps, mais aussi pour rechercher une mystérieuse matière noire dans les profondeurs de l'espace.
Les scientifiques du laboratoire JILA de Boulder de l'Université du Colorado ont développé une horloge atomique quantique incroyablement précise basée sur une structure tridimensionnelle unique. Le projet a littéralement établi une nouvelle référence pour le facteur de qualité - une métrique qui caractérise la précision des mesures. L'horloge forme des atomes de strontium en un cube, qui est 1000 fois plus dense que l'horloge unidimensionnelle précédente. Pour la première fois, la conception permet aux scientifiques d'utiliser avec succès le soi-disant «gaz quantique» à cette fin.
La montre la plus précise au monde
Une horloge atomique (sinon une horloge quantique ou moléculaire) est un appareil de mesure du temps, dans lequel, en tant que processus périodique, on n'utilise pas un mécanisme au silicium, mais des vibrations se produisant aux niveaux atomique et moléculaire. Par exemple, selon le système SI international, 1 seconde est égale à 9 192 631 770 périodes de rayonnement électromagnétique résultant de la transition entre deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.
Auparavant, chaque atome d'une horloge atomique était considéré comme une particule distincte, et par conséquent, les interactions entre les atomes pouvaient entraîner des inexactitudes dans les mesures effectuées. Cependant, le «système quantique à plusieurs corps» utilisé dans le nouveau projet organise les atomes selon un certain modèle, ce qui leur permet de bloquer leur interaction, quel que soit le nombre d'atomes que les scientifiques ont finalement introduits dans l'appareil. Un état de la matière appelé gaz de Fermi dégénéré (un gaz composé de particules de Fermi) permet de quantifier tous les atomes du système.
«L'aspect le plus important du potentiel d'une horloge à gaz quantique est sa capacité à augmenter le nombre d'atomes, ce qui se traduit par une énorme augmentation de la stabilité», explique le physicien Jun Yeh du National Institute of Standards and Technology (NIST), qui a travaillé sur le projet. Selon lui, l'humanité entre "dans une ère vraiment passionnante où nous pouvons soumettre la matière à l'ingénierie quantique pour mesurer des quantités spécifiques". Dans les tests de laboratoire, l'erreur était de 3,5 x 10 quintillions - c'est la première horloge atomique à atteindre une précision aussi impressionnante.
Thomas O'Brien, chef de la physique quantique et chef de projet du NIST, déclare qu '«une horloge au strontium utilisant un gaz quantique est un exemple frappant d'une technologie de« nouvelle révolution quantique », parfois appelée« quantique 2.0 ». Il est également convaincu qu'une telle approche et le développement de technologies similaires dans le futur permettront d'utiliser des corrélations quantiques pour un large éventail de mesures et même pour des technologies qui ne sont pas liées au temps.
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Temps et espace
L'horloge atomique, par exemple, est idéale pour la recherche sur la compréhension de la matière noire. Les chercheurs ont déjà suggéré que l'étude des erreurs mineures dans le fonctionnement des horloges atomiques ne suivra rien de plus que les «poches» de matière noire dans l'espace. Des études antérieures ont montré qu'un système d'horloge atomique et même un tel appareil hautement sensible peuvent enregistrer des changements dans la fréquence de vibration des atomes et du rayonnement laser s'ils traversent une zone de matière noire. Considérant que le nouveau projet est beaucoup plus stable et précis que ses prédécesseurs, il nous aidera peut-être à percer l'un des mystères les plus intéressants de l'Univers.
Vasily Makarov
