Probing the Linewidth of the 12.4-keV Sc Isomeric Resonance in Solids by Nuclear Forward Scattering
En utilisant l'European XFEL, des chercheurs ont étudié l'isomère nucléaire du Sc dans divers environnements à l'état solide et ont découvert que, bien que l'excitation de longue durée persiste, un déphasage significatif dans les cristaux à 20 K élargit la largeur de raie de résonance d'un facteur d'au moins 500, établissant des contraintes quantitatives critiques pour la future métrologie des horloges nucléaires.
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La mesure du temps est le fondement de la science moderne et de la vie quotidienne, de l'ordinateur de bord d'une voiture au GPS jusqu'à la synchronisation des réseaux financiers mondiaux. Pendant des décennies, les horloges les plus précises ont reposé sur les vibrations des atomes, plus précisément sur la façon dont les électrons passent d'un niveau d'énergie à un autre. Ces horloges atomiques sont incroyablement précises, mais les physiciens se demandent depuis longtemps si quelque chose d'encore plus stable pourrait être trouvé. Le noyau d'un atome, ce cœur minuscule et dense en son centre, offre une alternative prometteuse. Parce que le noyau est protégé par le nuage d'électrons environnant, il est beaucoup moins sensible aux perturbations extérieures comme les champs magnétiques ou les changements de température. Si les scientifiques pouvaient construire une horloge basée sur le noyau plutôt que sur l'électron, elle pourrait être bien plus stable et robuste. Le défi consiste à trouver un noyau qui vibre à une fréquence pouvant être mesurée et contrôlée, puis à déterminer comment maintenir cette vibration pure et constante à l'intérieur d'un matériau solide, où les atomes sont étroitement compactés et interfèrent souvent les uns avec les autres.
Une équipe de chercheurs s'est récemment penchée sur un candidat spécifique pour cette prochaine génération de mesure du temps : le noyau de l'élément scandium. Cet isotope particulier du scandium possède une propriété unique : son noyau peut être excité vers un état d'énergie supérieur et y rester pendant un temps étonnamment long — environ une demi-seconde — avant de revenir à son état normal. Dans le monde de la physique quantique, c'est une éternité. Lorsqu'il redescend enfin, il libère une bouffée d'énergie sous la forme d'un photon de rayons X. Théoriquement, cette transition devrait être si nette et précise qu'elle pourrait servir de mécanisme de « tic-tac » parfait pour une horloge nucléaire. Cependant, la théorie est une chose, et la réalité en est une autre. Lorsqu'ils sont enfermés dans un cristal solide, l'environnement peut brouiller cette transition nette, un peu comme si l'on essayait d'entendre un violon solitaire dans une pièce bondée. Les chercheurs ont cherché à savoir si ce noyau de scandium pouvait maintenir sa précision parfaite lorsqu'il est placé à l'intérieur de cristaux solides, ou si le matériau environnant ruinerait le signal.
Pour mener cette étude, l'équipe a utilisé l'une des machines à rayons X les plus puissantes au monde, le Laser à Électrons Libres à Rayons X Européen, situé en Allemagne. Ils ont projeté des impulsions de rayons X incroyablement courtes et intenses, réglées sur l'énergie exacte nécessaire pour exciter les noyaux de scandium. Ils ont placé des échantillons de scandium sous différentes formes — métal pur, oxyde, nitrure et un cristal complexe — à l'intérieur d'une chambre spéciale refroidie à des températures extrêmement basses pour minimiser le bruit thermique. L'objectif était double : premièrement, confirmer que les noyaux pouvaient effectivement être excités et survivre aussi longtemps que cette demi-seconde à l'intérieur du solide, et deuxièmement, voir s'ils pouvaient détecter un type spécifique de signal appelé diffusion directe nucléaire. Ce signal se produit lorsque les noyaux excités libèrent leur énergie de manière coordonnée, sous forme d'onde, ce qui est la marque de fabrique d'une horloge fonctionnant parfaitement. Si les noyaux se comportaient comme un groupe unifié, le signal durerait un temps mesurable après l'arrêt de l'impulsion de rayons X.
L'expérience a donné des résultats clairs sur le premier front. En mesurant la lumière émise lors de la désintégration des noyaux excités, l'équipe a confirmé que les noyaux de scandium survivaient effectivement environ 0,46 seconde au sein des matériaux solides. Il s'agissait d'une vérification cruciale, prouvant que l'état de longue durée existe même lorsque les atomes sont compactés dans un réseau solide. Ils ont également détecté un signal faible et retardé à l'énergie spécifique de 12,4 keV, ce qui a confirmé que les noyaux libéraient leur énergie sous forme de rayons X, une étape nécessaire pour toute future application d'horloge. À partir du rapport entre ce signal de rayons X et d'autres types de lumière émise par les atomes, ils ont calculé une constante physique spécifique liée à la façon dont le noyau interagit avec ses propres électrons, la trouvant cohérente avec les prédictions théoriques.
Cependant, lorsque les chercheurs ont cherché le signal coordonné et ondulatoire qui indiquerait une horloge parfaitement nette battant à l'unisson, ils n'ont rien trouvé. Malgré la haute sensibilité de leurs détecteurs et les longs temps d'observation, aucun signal statistiquement significatif n'est apparu après les deux premières millisecondes. Dans un monde parfait, où le matériau solide n'interférerait pas, le signal devrait être visible beaucoup plus longtemps. L'absence de ce signal suggère que l'environnement à l'intérieur des cristaux solides provoque la perte de synchronisation des noyaux presque immédiatement. Les chercheurs ont analysé ce résultat à l'aide de simulations informatiques et ont conclu que la netteté de la transition nucléaire est brouillée par au moins 500 fois sa limite naturelle. Ce flou est probablement causé par de minuscules variations des champs magnétiques et électriques au sein des cristaux, qui décalent légèrement l'énergie de chaque noyau, les faisant perdre l'unisson les uns avec les autres.
Cette découverte ne signifie pas qu'une horloge nucléaire basée sur le scandium est impossible, mais elle fixe une limite claire de ce qui est actuellement réalisable. L'étude démontre que, si le noyau de scandium possède le potentiel d'être une référence incroyablement stable, les matériaux solides que nous utilisons actuellement pour le contenir sont trop « bruyants » pour préserver cette stabilité. L'effet de flou est substantiel, réduisant la précision potentielle de l'horloge de plusieurs ordres de grandeur. Les chercheurs suggèrent que les progrès futurs dépendront de la découverte de meilleurs matériaux cristallins présentant moins de défauts et du développement de nouvelles techniques pour resserrer à nouveau le signal. Bien que le rêve d'une horloge nucléaire reste vivant, ce travail constitue un rappel indispensable à la réalité, montant exactement tout le travail qu'il reste à accomplir pour dompter l'environnement de l'état solide et libérer tout le potentiel du noyau atomique pour la mesure du temps.
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