Les physiciens du JILA ont mesuré la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, ou plus précisément l’effet appelé dilatation du temps, à la plus petite échelle jamais réalisée, en montrant que deux minuscules horloges atomiques, séparées d’à peine un millimètre ou de la largeur de la pointe d’un crayon, fonctionnent à des vitesses différentes.
Les expériences, décrites dans le numéro du 17 février 2022 de Nature, suggèrent comment fabriquer des horloges atomiques 50 fois plus précises que les meilleures conceptions actuelles et offrent une voie pour peut-être révéler comment la relativité et la gravité interagissent avec la mécanique quantique, un dilemme majeur en physique.
Le JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l’Université du Colorado Boulder.
“Le résultat le plus important et le plus excitant est que nous pouvons potentiellement relier la physique quantique à la gravité, par exemple en sondant la physique complexe lorsque les particules sont distribuées à différents endroits dans l’espace-temps courbé”, a déclaré Jun Ye, membre du NIST/JILA. “Pour la mesure du temps, cela montre également qu’il n’y a pas d’obstacle à la réalisation d’horloges 50 fois plus précises qu’aujourd’hui – ce qui est une nouvelle fantastique.”
Les chercheurs du JILA ont mesuré la dilatation du temps, ou la façon dont le tic-tac d’une horloge atomique varie en fonction de l’altitude, dans ce minuscule nuage d’atomes de strontium. Crédit : Jacobson/NIST
La théorie de la relativité générale d’Einstein (1915) explique les effets à grande échelle tels que l’effet gravitationnel sur le temps et a d’importantes applications pratiques telles que la correction des mesures des satellites GPS. Bien que la théorie ait plus d’un siècle, les physiciens restent fascinés par elle. Les scientifiques du NIST ont utilisé des horloges atomiques comme capteurs pour mesurer la relativité avec de plus en plus de précision, ce qui pourrait permettre d’expliquer enfin comment ses effets interagissent avec la mécanique quantique, qui régit le monde subatomique.
Selon la relativité générale, les horloges atomiques situées à différentes hauteurs dans un champ gravitationnel tintent à des rythmes différents. La fréquence du rayonnement des atomes est réduite – décalée vers l’extrémité rouge du spectre électromagnétique – lorsqu’elle est observée dans une gravité plus forte, plus proche de la Terre. Autrement dit, le tic-tac d’une horloge est plus lent à basse altitude. Cet effet a été démontré à plusieurs reprises ; par exemple, Les physiciens du NIST l’ont mesuré en 2010 en comparant deux horloges atomiques indépendantes, l’une placée 33 centimètres (environ 1 pied) au-dessus de l’autre.
Les chercheurs du JILA ont maintenant mesuré les décalages de fréquence entre le haut et le bas d’un échantillon unique d’environ 100 000 atomes de strontium ultrafroids chargés dans une horloge atomique. treillis optiqueune installation de laboratoire similaire aux premières horloges atomiques du groupe. Dans ce nouveau cas, le réseau, qui peut être visualisé comme une pile de crêpes créées par des faisceaux laser, présente des galettes exceptionnellement grandes, plates et fines, et elles sont formées par une lumière moins intense que celle utilisée normalement. Cette conception réduit les distorsions du réseau habituellement causées par la dispersion de la lumière et des atomes, homogénéise l’échantillon et étend les ondes de matière des atomes, dont les formes indiquent la probabilité de trouver les atomes à certains endroits. Les états d’énergie des atomes sont si bien contrôlés qu’ils sont passés d’un niveau d’énergie à l’autre à l’unisson pendant 37 secondes, un record pour ce qu’on appelle la cohérence quantique.
L’innovation du groupe Ye en matière d’imagerie, qui a permis d’obtenir une carte microscopique de la distribution des fréquences dans l’échantillon, et sa méthode de comparaison de deux régions d’un atom cloud rather than the traditional approach of using two separate clocks.
The measured redshift across the atom cloud was tiny, in the realm of 0.0000000000000000001, consistent with predictions. (While much too small for humans to perceive directly, the differences add up to major effects on the universe as well as technology such as GPS.) The research team resolved this difference quickly for this type of experiment, in about 30 minutes of averaging data. After 90 hours of data, their measurement precision was 50 times better than in any previous clock comparison.
“This a completely new ballgame, a new regime where quantum mechanics in curved space-time can be explored,” Ye said. “If we could measure the redshift 10 times even better than this, we will be able to see the atoms’ whole matter waves across the curvature of space-time. Being able to measure the time difference on such a minute scale could enable us to discover, for example, that gravity disrupts quantum coherence, which could be at the bottom of why our macroscale world is classical.”
Better clocks have many possible applications beyond timekeeping and navigation. Ye suggests atomic clocks can serve as both microscopes to see minuscule links between quantum mechanics and gravity and as telescopes to observe the deepest corners of the universe. He is using clocks to look for mysterious dark matter, believed to constitute most matter in the universe. Atomic clocks are also poised to improve models and understanding of the shape of the Earth through the application of a measurement science called relativistic geodesy.
Reference: “Resolving the gravitational redshift in a millimetre-scale atomic sample” by Tobias Bothwell, Colin J. Kennedy, Alexander Aeppli, Dhruv Kedar, John M. Robinson, Eric Oelker, Alexander Staron & Jun Ye, 16 February 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04349-7
Funding was provided by the Defense Advanced Research Projects Agency, National Science Foundation, Department of Energy Quantum System Accelerator, NIST and Air Force Office for Scientific Research.
