BE Danemark 23  >>  28/07/2009

Physique quantique

Un pas vers l'horloge infiniment précise

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/60138.htm

Les travaux d'une équipe de chercheurs danois et américains ont permis la mise au point d'une horloge qui ne perd qu'une seconde en 300 millions d'années. Dans le même laps de temps, votre montre à quartz se sera déréglée de quelques 600 ans! Les résultats de leur étude sur la physique des atomes ultra-froids ont été publiés dans la revue américaine Science.

Principe des horloges atomiques optiques

Un atome est constitué d'un noyau et d'électrons caractérisés par des états d'énergie et des nombres quantiques donnés. Classiquement, chacun de ces états est représenté par une orbite autour de laquelle l'électron tourne autour du noyau. Les électrons peuvent "sauter" d'une orbite à une autre, modifiant ainsi le niveau d'énergie de l'atome. Lorsqu'un atome passe dans un niveau d'énergie inférieur, il émet un photon dont la fréquence est donnée par v= DE/h, où h est la constante de Planck et DE la variation d'énergie en valeur absolue. En sens inverse, il est possible de faire passer un atome vers un état d'énergie plus élevée en lui faisant absorber un photon de fréquence v.

Une horloge atomique optique utilise en quelque sorte le saut des électrons d'une orbite à l'autre comme un balancier. Pour cela, on confine un nuage d'atomes à l'aide d'un piège magnéto-optique qui gèle le mouvement atomique. Les atomes, placés dans un niveau d'énergie donnée, sont ensuite soumis à un faisceau laser de fréquence variable. Le nombre d'atomes passant dans un état d'énergie supérieure sera d'autant plus grand que la fréquence du faisceau laser est proche de la fréquence théorique v donnée par la formule précédente. La quantité d'atomes ayant changé d'état permet alors de régler de façon extrêmement fine la fréquence du faisceau laser sur laquelle un oscillateur à quartz est asservi. Afin de pouvoir exploiter ces propriétés quantiques des atomes et de limiter leurs mouvements, ils doivent être refroidis à l'aide d'un piège magnéto-optique jusqu'à une température proche du zéro absolu (1 microKelvin, soit environ -273°C).

Illustration disponible sur le web à l'url :
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Des atomes mal disciplinés

Les horloges atomiques n'ont rien de nouveau. Depuis 1967, elles permettent de mesurer le temps de façon ultra-précise et sont utilisées pour définir officiellement la durée d'une seconde. Mais en dépit de progrès réguliers, les scientifiques se heurtaient à une barrière dans leur quête de la précision absolue. Ils n'avaient jusqu'à présent été capables "que" de construire une horloge se décalant d'une seconde en 150 millions d'années. "Le problème est que les atomes ne se comportaient pas comme nous le pensions d'après les règles de la physique quantique" explique Jan Thomsen, de l'Institut Niels Bohr à l'Université de Copenhague, qui a mené les recherches en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Colorado.

Suivant la valeur d'un de leur nombres quantiques (le spin), les atomes se classent en deux familles différentes : les bosons (spin entier) et les fermions (spin demi-entier). Ces deux types d'atomes interagissent entre eux de façon complètement différente. Les bosons s'attirent alors que les fermions se repoussent mutuellement : c'est le principe d'exclusion de Pauli.

Illustration 2 disponible sur le web à l'url :
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La mécanique quantique des fermions ultra-froids

On utilise dans les horloges atomiques des atomes de nature fermionique car, en principe, ils n'interagissent pas. Pourtant les scientifiques ont observé qu'aux températures ultra-froides, le comportement des fermions est différent. Pour comprendre ce phénomène l'équipe de chercheurs s'est lancée dans une longue série d'expériences qui leur ont apporté de nouvelles connaissances fondamentales sur le comportement des atomes ultra-froids.

"C'était un voyage fascinant dans le monde de la mécanique quantique. Nous avons découvert que les fermions ne se comportent pas tous de la même manière. Aux très basses températures, les fermions commencent à se voir et à interagir, ce qui limite la précision d'une horloge atomique" explique Jan Thomsen. L'expérience a en fait montré que les fermions se comportaient légèrement différemment suivant l'angle d'incidence du faisceau laser utilisé pour les faire passer d'un niveau d'énergie à un autre. N'étant plus strictement identiques, les fermions ne sont donc plus soumis au principe d'exclusion de Pauli. Par ailleurs, l'équipe a montré que le taux de collision des fermions ultra-froids était presque nul lorsque l'on utilisait des niveaux d'énergie aussi distants que possible des niveaux d'énergie maximale et minimale.

Perspectives

En utilisant ces niveaux d'énergie et en élargissant le piège optique maintenant les atomes immobiles, les chercheurs ont multiplié par 3 la précision de leur horloge. Aussi minime que le gain d'une seconde en 150 millions d'années puisse paraître, ces résultats pourraient trouver de nombreuses applications dans les domaines où l'on a besoin de calculer de très grandes distances, comme par exemple l'éloignement entre deux galaxies dans l'espace. Ils devraient également rendre les systèmes GPS et Galileo plus précis, et permettre ainsi de réaliser de nouvelles tâches comme le guidage par satellite de l'atterrissage des avions ou encore la détection de mouvements infimes de la croûte terrestre pour la détection en amont des séismes. Cette découverte pourrait même d'ici quelques années être à l'origine de la redéfinition de la seconde.

Pour en savoir plus, contacts :

- Jan Westenkaer Thomsen, chargé de recherche - Tél : +45 353-20463
- Niels Bohr Institute, Ultracold atoms and quantum optics department - Email : jwt @ fys.ku.dk

Source :

Probing Interactions Between Ultracold Fermion, Science 17 April 2009:, Vol. 324. no. 5925, pp. 360 - 363 : http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/324/5925/360

Rédacteur :

Jean-Baptiste Paquel
jean-baptiste.paquel@diplomatie.gouv.fr
 

Origine : BE Danemark numéro 23 (28/07/2009) - Ambassade de France au Danemark / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/60138.htm

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