Absolute frequency measurement of the Ca clock transition using a GNSS link to the SI second
En utilisant une liaison GNSS pour comparer une horloge à Ca à Innsbruck avec les étalons primaires du PTB, des chercheurs ont mesuré la fréquence absolue de la transition d'horloge avec une incertitude fractionnaire de et ont simultanément réévalué le facteur g de Landé pour le niveau .
Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
Le temps, dans son sens le plus fondamental, est mesuré en comptant les battements réguliers et rythmés d'un atome. Pendant des décennies, les secondes officielles du monde ont été définies par les vibrations d'atomes de césium, une norme qui a bien servi l'humanité. Cependant, les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen plus précis de mesurer le temps, un moyen qui repose sur des atomes vibrant à des vitesses beaucoup plus élevées, utilisant la lumière au lieu des micro-ondes. Ces horloges atomiques optiques sont si sensibles qu'elles peuvent détecter les plus infimes changements de gravité ou le passage du temps lui-même. Pour être utiles, ces horloges doivent être comparées au temps officiel tenu par les laboratoires nationaux, mais cela nécessite un pont capable de transporter le signal sur des centaines de kilomètres sans perdre sa précision.
Dans une étude récente, des chercheurs à Innsbruck, en Autriche, ont construit un tel pont pour mesurer la fréquence exacte d'une horloge spécifique basée sur un seul ion calcium. Ils ont connecté leur laboratoire au centre de référence temporelle primaire à Braunschweig, en Allemagne, en utilisant un réseau de satellites de navigation. Ce faisant, ils ont déterminé la fréquence absolue de la transition de l'horloge calcium avec un niveau de précision qui n'avait jamais été atteint auparavant pour cette configuration spécifique. Leur travail fournit non seulement un nouveau nombre hautement précis pour la vitesse de tic-tac de cette horloge, mais corrige également une divergence de longue date dans le registre scientifique et affine notre compréhension de l'interaction des champs magnétiques avec l'atome.
L'expérience s'est centrée sur un seul ion calcium, un atome qui a perdu un électron, piégé dans une chambre à vide par des forces électriques et magnétiques invisibles. Cet ion agit comme le pendule de l'horloge. Pour le faire battre, les chercheurs projettent un faisceau laser d'une couleur très spécifique, rouge profond, sur l'atome. Lorsque la fréquence du laser correspond à la vibration naturelle de l'ion, l'atome absorbe l'énergie et passe à un état d'énergie supérieur. Les chercheurs recherchent le moment exact où cela se produit, ce qui arrive à une fréquence de 411 042 129 776 401,2 hertz. Ce nombre représente le nombre de fois que l'atome vibre chaque seconde. Pour mesurer cela avec une précision aussi extrême, ils ont dû s'assurer qu'aucun facteur externe, tel que des champs magnétiques parasites ou la chaleur de l'environnement environnant, ne décalait légèrement ce nombre.
Pour relier leur horloge locale à la norme internationale, l'équipe a établi une liaison avec le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) à Braunschweig, l'institut national de métrologie allemand qui aide à définir le Temps Universel Coordonné. Ils ont utilisé un maser à hydrogène passif, un dispositif qui génère un signal très stable, comme référence locale. Ce signal a ensuite été comparé au temps tenu par les satellites du Système de Navigation par Satellites (GNSS). En analysant le temps nécessaire aux signaux pour voyager entre leur laboratoire, les satellites et le laboratoire allemand, ils ont pu calculer la différence précise entre leur horloge locale et l'heure officielle internationale. Cette méthode, connue sous le nom de Positionnement Ponctuel Précis (Precise Point Positioning), leur a permis de transférer la norme temporelle sur une distance de plusieurs centaines de kilomètres avec une erreur minimale.
La campagne de mesure a duré dix jours en juin 2021. Pendant cette période, les chercheurs ont sondé l'ion six fois, en utilisant des réglages magnétiques légèrement différents pour chaque sonde. Cette stratégie astucieuse a permis d'annuler plusieurs sources d'erreur qui perturbent habituellement de telles mesures, notamment les décalages causés par le champ magnétique terrestre et les champs électriques à l'intérieur du piège. Cependant, ils ont découvert qu'un effet subtil causé par les courants radiofréquences utilisés pour maintenir l'ion en place influençait encore les résultats. Ces courants créent un minuscule champ magnétique oscillant qui déplace les niveaux d'énergie de l'atome d'une manière qui n'avait pas été pleinement prise en compte dans les mesures précédentes. En mesurant soigneusement cet effet, l'équipe a pu corriger ses données et calculer également une nouvelle valeur plus précise pour une propriété fondamentale de l'atome de calcium appelée facteur g de Landé, qui décrit la réponse de l'atome aux champs magnétiques.
Le résultat final de leur travail est une mesure de la fréquence de transition de l'horloge calcium avec une incertitude fractionnaire de 1,5 fois 10 à la puissance moins 15. Pour mettre ce niveau de précision en perspective, si cette horloge avait commencé à battre au début de l'univers, elle serait décalée de moins d'une seconde aujourd'hui. Ce résultat place leur mesure en accord avec les études les plus récentes de laboratoires en Chine et en Israël, mais contredit les mesures antérieures de 2009 à 2012. Les chercheurs pensent que les résultats précédents étaient moins précis car ils ne prenaient pas pleinement en compte les champs magnétiques oscillants générés par le piège lui-même. En incluant ce facteur, la nouvelle mesure résout le désaccord et fournit une norme plus fiable pour la chronométrie future.
Au-delà du chiffre spécifique, l'étude démontre la puissance de l'utilisation des liaisons satellites pour comparer les horloges les plus avancées au monde. Bien que les câbles à fibre optique puissent offrir une stabilité encore meilleure, ils ne sont pas toujours pratiques à installer entre des villes éloignées. La liaison satellite utilisée ici offre un moyen plus simple et plus accessible de vérifier que les horloges optiques du monde entier sont cohérentes entre elles. Les chercheurs ont également confirmé que leurs propres mesures étaient principalement limitées par la stabilité de leur maser à hydrogène local, suggérant que des améliorations futures pourraient être apportées en utilisant une source de référence encore plus stable. Ce travail marque une étape importante dans l'effort mondial pour redéfinir la seconde et pour utiliser ces horloges incroyablement précises afin de tester les lois fondamentales de la physique.
Noyé(e) sous les articles dans votre domaine ?
Recevez des digests quotidiens des articles les plus récents correspondant à vos mots-clés de recherche — avec des résumés techniques, dans votre langue.