Ces dernières années, de nombreux physiciens du monde entier ont introduit des horloges atomiques, des systèmes pour mesurer le passage du temps qui sont basés sur les états quantiques des atomes. Ces horloges peuvent avoir de nombreuses applications intéressantes, par exemple dans le développement de systèmes satellitaires et de navigation.
Dernièrement, certains chercheurs ont également exploré le développement possible d’horloges moléculaires, des systèmes qui ressemblent à des horloges atomiques, mais basés sur des molécules simples. Une équipe de l’Université de Columbia et de l’Université de Varsovie a récemment créé une horloge moléculaire très précise qui pourrait être utilisée pour étudier de nouveaux phénomènes physiques.
« Notre récent article est le résultat d’un effort de plusieurs années pour créer ce qu’on appelle une horloge moléculaire », a déclaré Tanya Zelevinsky, l’une des chercheuses qui a mené l’étude, à Phys.org. « Il a été inspiré par les progrès rapides dans la précision des horloges atomiques et la prise de conscience que les horloges moléculaires reposent sur un mécanisme de » tic-tac « différent et pourraient donc être sensibles à des phénomènes complémentaires. L’un d’eux est l’idée que les constantes fondamentales de la nature pourrait changer très légèrement au fil du temps. L’autre est la possibilité que la gravité entre de très petits objets puisse être différente de ce que nous vivons à plus grande échelle.
L’horloge moléculaire créée par Zelevinsky et ses collègues est basée sur la molécule diatomique Sr2, ressemblant structurellement à deux minuscules sphères reliées par un ressort. L’horloge utilise spécifiquement les modes vibrationnels de cette molécule comme référence de fréquence précise, ce qui lui permet à son tour de garder une trace du temps.
« Notre horloge nécessite l’utilisation de lasers pour refroidir les atomes près du zéro absolu et les maintenir dans des pièges optiques, les amener à se combiner en molécules et faire briller des lasers » d’horloge « très précis sur eux pour effectuer une mesure », a expliqué Zelevinsky. « Certains des avantages de l’horloge moléculaire incluent sa très faible sensibilité aux champs magnétiques ou électriques parasites, et les très longues durées de vie naturelles des modes vibrationnels. »
Dans leur étude publiée dans Examen physique X, Zelevinsky et ses collègues ont évalué la précision de leur horloge moléculaire dans une série de tests, mesurant son incertitude dite systématique. Ils ont constaté que leur conception proposée minimisait considérablement les sources d’erreurs et que leur horloge atteignait une incertitude systématique totale de 4,6 × 10−14, présentant une précision particulièrement élevée.
« Notre travail récent établit la référence en matière de précision de la spectroscopie moléculaire, avec la mesure observée de la netteté maximale – ou son facteur de qualité – de 3 billions », a déclaré Zelevinsky. « Il éclaire également les effets qui limitent cette précision, en particulier la perte éventuelle de molécules via la diffusion de la lumière dans laquelle elles sont piégées. Cela nous incite à rechercher des améliorations dans la stratégie de piégeage optique. »
L’horloge moléculaire vibrationnelle créée par cette équipe de chercheurs pourrait devenir un standard pour les applications de fréquence térahertz, tout en informant potentiellement la création de nouveaux outils de spectroscopie moléculaire. Sa conception pourrait également être modifiée, en remplaçant les molécules Sr2 par d’autres variants isotopiques (de masse différente), ce qui pourrait faciliter les recherches en cours pour de nouvelles interactions physiques.
« À l’avenir, nous espérons appliquer l’horloge moléculaire pour comprendre la structure moléculaire avec la plus grande précision et étudier toutes les signatures possibles de la gravité non newtonienne à des échelles de taille nanométrique », a ajouté Zelevinsky.
Plus d’information:
KH Leung et al, Horloge moléculaire vibratoire térahertz avec incertitude systématique au niveau 10−14, Examen physique X (2023). DOI : 10.1103/PhysRevX.13.011047
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