Thorium-229 : de l’horloge atomique à l’horloge nucléaire

Et si les horloges atomiques de demain n’étaient plus réglées sur les électrons mais sur le noyau atomique ? Deux études complémentaires, relayées dans Nature  le 8 octobre 2026, ont franchi une étape décisive dans cette direction. L’équipe de recherche européenne, emmenée par Thorsten Schumm (Université technique de Vienne) y présente une véritable horloge nucléaire au thorium‑229, tandis que celle, chinoise, de Shiqian Ding (Tsinghua University, à Pékin) démontre que cette nouvelle référence de fréquence est reproductible. Ensemble, ces résultats rapprochent un peu plus la métrologie du cœur même de l’atome. Ils offrent des perspectives inégalées en matière de mesure du temps.

Que peut bien apporter une nouvelle horloge alors que les meilleures horloges atomiques actuelles dérivent de moins d’une seconde sur des milliards d’années ? La réponse tient moins à un gain immédiat de performance qu’à un changement de paradigme : pour la première fois, une horloge opérationnelle utilise le noyau d’un atome comme référence de fréquence.

Du pendule aux atomes

Toute horloge repose sur une idée simple, quelle que soit la technologie employée : s’appuyer sur un phénomène qui se répète avec régularité. Alternance des jours et des nuits, cycle des phases de la Lune, oscillations d’un pendule ou d’un balancier d’horloge, vibrations d’un cristal de quartz dans une montre du même nom… Si l’on dispose d’un métronome suffisamment régulier, compter ses battements permet de mesurer des durées.

Les horloges atomiques mises au point il y a environ 70 ans fonctionnent sur le même principe. Leur « tic-tac » n’est plus mécanique mais quantique : il correspond à la fréquence associée à une transition entre deux niveaux d’énergie électroniques. Dans un atome, les électrons ne peuvent en effet occuper que certains niveaux d’énergie. Lorsqu’ils changent de niveau, ils absorbent ou émettent un rayonnement d’énergie et donc de fréquence parfaitement déterminée. Cette fréquence est utilisée comme un métronome dont les oscillations sont comptées pour mesurer le temps. Elle constitue aujourd’hui la base des systèmes de navigation par satellite, des télécommunications et de la synchronisation des réseaux numériques.

Des électrons au noyau

Comme les électrons, les noyaux atomiques disposent de leur propre « échelle » de niveaux d’énergie. Lorsqu’un noyau passe d’un niveau à un autre, il absorbe ou libère, selon le cas, une quantité d’énergie parfaitement définie. Ces transitions nucléaires constituent donc, elles aussi, des battements potentiels pour une horloge. La différence est qu’elles produisent au cœur même de l’atome.

Beaucoup plus compact que l’atome, le noyau est concentré dans un volume environ un million de milliards de fois plus petit. Les champs électriques, les liaisons chimiques ou les variations de température perturbent avant tout le nuage électronique qui entoure le noyau. Les niveaux d’énergie nucléaires sont donc beaucoup moins sensibles à ces influences extérieures, ce qui pourrait en faire une référence de fréquence plus stable que les transitions électroniques utilisées par les horloges atomiques actuelles.

Le thorium‑229, un noyau pas comme les autres

Mais, les transitions nucléaires, généralement associées à des énergies très élevées (rayons X ou gamma), sont hors d’atteinte des lasers utilisés en laboratoire.

Le thorium‑229 fait figure d’exception. Son noyau possède un état isomérique, c’est-à-dire un état excité particulièrement durable, situé à une énergie exceptionnellement faible d’environ 8,4 eV. Cette transition correspond à une longueur d’onde d’environ 148 nm, dans l’ultraviolet, et peut être atteinte par un laser.

Un cristal pour écouter le noyau

Pour exploiter la transition du thorium‑229, les chercheurs ont incorporé les atomes dans un cristal de fluorure de calcium (CaF₂). Ce choix répond à plusieurs défis expérimentaux.

Dans ce matériau, des ions thorium‑229 remplacent une petite fraction des ions calcium du réseau cristallin. Le fluorure de calcium agit ainsi comme une matrice solide capable d’héberger un très grand nombre de noyaux de thorium tout en conservant ses propriétés optiques nécessaires à l’expérience.

Cette architecture permet tout d’abord de renforcer le signal. Pris individuellement, les noyaux de thorium interagissent très peu avec la lumière du laser. En dispersant le thorium au sein d’un cristal, les physiciens réunissent un très grand nombre de noyaux identiques dans un volume réduit. Au lieu d’interroger quelques atomes isolés, ils observent simultanément une vaste population de noyaux, ce qui renforce considérablement le signal.

Le choix du fluorure de calcium répond également à une contrainte optique. Ce matériau est transparent dans le domaine ultraviolet utilisé pour exciter la transition nucléaire, ce qui permet à la lumière du laser d’atteindre les noyaux de thorium.

Enfin, le cristal permet de résoudre une dernière difficulté. La lumière du laser pourrait également interagir avec les électrons entourant les noyaux et masquer le signal recherché. La structure électronique du fluorure de calcium limite fortement ces excitations parasites à la longueur d’onde utilisée. Les chercheurs peuvent ainsi isoler plus facilement la réponse du noyau.

Le cristal joue donc un double rôle d’amplificateur et de filtre. Il rassemble un grand nombre de noyaux de thorium tout en offrant un environnement favorable à l’observation de leur transition nucléaire. Sans lui, le faible « tic-tac » du noyau resterait difficile à distinguer du bruit de fond.

Le cristal de fluorure de calcium dopé au thorium‑229 dans la chambre à vide, traversé par le faisceau laser qui excite les noyaux © T. Schumm, TU Wien

Accorder le laser sur le noyau 

Une fois cette transition nucléaire identifiée et rendue observable, reste à l’utiliser comme référence pour mesurer le temps. C’est ici qu’intervient l’ingéniosité du dispositif mis au point par l’équipe de Thorsten Schumm à l’Université de Vienne.

Lorsque la fréquence du laser correspond exactement à celle du thorium‑229, les noyaux de thorium absorbent une partie de la lumière UV : on parle alors de résonance. Cette absorption est surveillée en continu. Si la fréquence du laser dérive légèrement, le signal change. Une boucle de rétroaction corrige alors automatiquement la fréquence du laser pour la ramener exactement à la fréquence de résonance.

Le noyau de thorium‑229 se comporte en quelque sorte comme un diapason nucléaire : il fournit une fréquence de référence extrêmement stable. Le laser s’accorde et se verrouille sur cette fréquence et en reproduit fidèlement la note.

Ce n’est donc pas le noyau qui fournit directement l’horloge, mais la fréquence du laser une fois asservie à la transition nucléaire, suffisamment stable pour être utilisée comme étalon de temps. Le noyau donne le tempo, le laser porte la note.

Bien plus qu’une nouvelle horloge

L’avancée annoncée par l’équipe autrichienne ne réside pas dans un nouveau record mondial de précision. Les horloges atomiques les plus performantes, fondées sur des transitions électroniques dans des atomes comme le strontium ou l’ytterbium, restent aujourd’hui plus précises.

L’exploit est ailleurs : les chercheurs ont réussi à fermer la boucle. La transition nucléaire du thorium‑229 ne se contente plus d’être observée en laboratoire ; elle sert désormais à piloter un laser et à fournir une référence de fréquence exploitable pour mesurer le temps.

Cette démonstration complète les travaux menés par l’équipe de Shiqian Ding à Tsinghua University, qui a montré de son côté que la fréquence de la transition nucléaire du thorium‑229 pouvait être reproduite de manière fiable dans différents cristaux. Ensemble, les deux études valident à la fois la robustesse de la référence nucléaire et sa capacité à piloter une véritable horloge

Les perspectives dépassent largement la seule métrologie. À terme, ces horloges pourraient contribuer à tester la stabilité des constantes fondamentales, sonder certaines hypothèses liées à la matière noire ou encore ouvrir la voie à de nouveaux capteurs quantiques. Le chemin vers des performances supérieures à celles des meilleures horloges atomiques reste encore long. Mais avec cette première démonstration, un nouveau métronome vient d’entrer en scène. ■