Dans une nouvelle étude publiée dans Science aujourd’hui, Jun Ye, membre du JILA et du NIST (National Institute of Standards and Technology), et son équipe de recherche ont franchi une étape importante dans la compréhension des interactions complexes et collectives lumière-atome au sein des horloges atomiques, les horloges les plus précises de l’univers.
À l’aide d’un réseau cubique, les chercheurs ont mesuré les déplacements d’énergie spécifiques au sein du réseau d’atomes de strontium 87 dus aux interactions dipôle-dipôle. Avec une densité élevée d’atomes, ces déplacements de fréquence au niveau du MHz, connus sous le nom de déplacements coopératifs de Lamb, ont été étudiés spectroscopiquement. Ces déplacements ont été étudiés spatialement et comparés aux valeurs calculées à l’aide de techniques de spectroscopie d’imagerie développées dans cette expérience.
Ces déplacements de Lamb coopératifs, nommés parce que la présence de nombreux atomes identiques dans un espace étroitement confiné modifie la structure des modes électromagnétiques qui les entourent, sont un facteur important à mesure que le nombre d’atomes dans les horloges continue de croître.
« Si vous pouvez comprendre et contrôler ces interactions à haute densité dans cette grille, vous pouvez toujours agrandir la grille », explique William Milner, étudiant diplômé de JILA, deuxième auteur de l’article. « Il s’agit d’une technologie intrinsèquement évolutive, importante pour améliorer les performances de l’horloge. »
Le temps dans un cube
Les horloges atomiques, longtemps considérées comme le summum de la précision, fonctionnent sur le principe de la mesure de la fréquence de la lumière absorbée ou émise par les atomes. Chaque tic-tac de ces horloges est régi par les oscillations de la superposition quantique des électrons au sein de ces atomes, stimulées par l’énergie correspondante provenant d’un laser de sondage. Le laser excite les atomes dans un état quantique appelé état d’horloge.
Alors que les horloges à réseau optique plus traditionnelles utilisent un réseau optique unidimensionnel, supprimant les mouvements des atomes uniquement dans une direction fortement confinée, l’horloge à gaz quantique au strontium utilisée dans cette étude a confiné les atomes dans toutes les directions en les plaçant dans un arrangement cubique. Bien que l’utilisation d’un réseau 3D soit une géométrie d’horloge attrayante, elle nécessite également de préparer un gaz quantique ultra-froid d’atomes et de les charger soigneusement dans le réseau.
« C’est plus compliqué, mais cela présente des avantages uniques car le système présente davantage de propriétés quantiques », précise Milner.
En physique quantique, la disposition spatiale des particules influence de manière cruciale leur comportement. Grâce à son uniformité et à son équilibre, le réseau cubique créait un environnement contrôlé dans lequel les interactions atomiques étaient observables et manipulables avec une précision sans précédent.
Observer les interactions dipôle-dipôle
En utilisant le réseau cubique, Ross Hutson (récent diplômé du JILA), Milner et les autres chercheurs du laboratoire Ye, ont pu faciliter et mesurer les interactions dipôle-dipôle entre les atomes de strontium. Ces décalages, normalement si petits qu’ils sont négligés, résultent d’interférences collectives entre les atomes se comportant comme des dipôles lorsqu’ils sont préparés dans une superposition des deux états d’horloge.
Étant donné que l’ordre spatial des atomes dans le réseau cubique influence le couplage dipolaire, les chercheurs pourraient amplifier ou diminuer les interactions dipolaires en manipulant l’angle de l’horloge laser par rapport au réseau. Opérant sous un angle particulier, l’angle de Bragg, les chercheurs s’attendaient à de fortes interférences constructives et ont observé un décalage de fréquence correspondant plus important.
À la recherche de quarts de travail coopératifs pour l’agneau
Avec des interactions dipôle-dipôle plus fortes se produisant au sein du réseau, les chercheurs ont découvert que ces interactions créaient des changements d’énergie locaux dans tout le système d’horloge.
Ces changements d’énergie, ou changements coopératifs de Lamb, sont de très petits effets normalement difficiles à détecter. Lorsque de nombreux atomes sont regroupés, comme dans un réseau d’horloge cubique, ces décalages deviennent une affaire collective et sont révélés par la précision des mesures d’horloge nouvellement obtenue. Si elles ne sont pas contrôlées, elles peuvent affecter la précision des horloges atomiques.
« Ces [shifts were] initialement proposé en 2004 comme une chose futuriste dont il fallait s’inquiéter [for clock accuracy] », ajoute Milner. « Maintenant, ils sont soudainement plus pertinents [as you add more atoms to the lattice] ».
Comme si mesurer ces déplacements n’était pas assez intéressant, le plus intéressant encore était que les chercheurs ont constaté que les déplacements coopératifs de Lamb n’étaient pas uniformes sur le réseau, mais variaient en fonction de l’emplacement spécifique de chaque atome.
Cette variation locale est significative pour la mesure de l’horloge : elle implique que la fréquence à laquelle les atomes oscillent, et donc le « tic-tac », de l’horloge, peut légèrement différer d’une partie du réseau à l’autre. Une telle dépendance spatiale des décalages coopératifs de Lamb est un changement systématique important à comprendre alors que les chercheurs s’efforcent d’améliorer la précision du chronométrage.
« En mesurant ces changements et en les voyant s’aligner sur nos valeurs prédites, nous pouvons calibrer l’horloge pour qu’elle soit plus précise », explique Milner.
À partir de leurs mesures, l’équipe a réalisé qu’il existait un lien étroit entre les déplacements coopératifs de Lamb et la direction de propagation du laser de la sonde d’horloge dans le réseau. Cette relation leur a permis de trouver un angle spécifique où un « passage à zéro » a été observé et le signe du décalage de fréquence est passé du positif au négatif.
« Il s’agit d’un état quantique particulier qui ne subit aucun changement collectif de Lamb (superposition égale de l’état fondamental et de l’état excité) », explique Lingfeng Yan, étudiant diplômé de la JILA. Jouer avec le lien entre l’angle de propagation du laser par rapport au réseau cubique et les déplacements coopératifs de Lamb a permis aux chercheurs d’affiner davantage l’horloge pour qu’elle soit plus robuste face à ces déplacements d’énergie.
Explorer une autre physique
Au-delà du contrôle et de la minimisation de ces interactions dipôle-dipôle dans le réseau cubique, les chercheurs de JILA espèrent utiliser ces interactions pour explorer la physique à N corps dans leur système d’horloge.
« Il y a une physique vraiment intéressante en cours parce que vous avez ces dipôles en interaction », explique Milner. « Donc, des gens, comme Ross Hutson, ont des idées pour même potentiellement utiliser ces interactions dipôle-dipôle pour la compression de spin. [a type of quantum entanglement] pour fabriquer des horloges encore meilleures. »
Plus d’information:
Ross B. Hutson et al, Observation des déplacements coopératifs de Lamb au niveau millihertz dans une horloge atomique optique, Science (2024). DOI : 10.1126/science.adh4477