L'énergie négative résout l'énigme de l'horloge atomique
Une grave contradiction entre la théorie et l'expérience empêchait jusqu'à présent les horloges atomiques de devenir plus précises. Il s'avère désormais que ce qui manquait, c'était de l'énergie négative.
Les horloges les plus précises du monde le sont désormais encore plus. Deux groupes de travail ont réussi, indépendamment l'un de l'autre, à calculer avec précision un minuscule facteur de perturbation dans l'interaction d'un atome de strontium avec la lumière, qui avait jusqu'à présent conduit à une contradiction entre la théorie et l'expérience dans les mesures de temps. Deux propriétés physiques de l'atome, les polarisabilités du moment quadripolaire électrique (E2) et du moment dipolaire magnétique (M1), entraînent un léger décalage des états d'énergie lors de l'interaction avec la lumière laser dans l'horloge atomique. Cependant, jusqu'à présent, les mesures ont montré que ce décalage s'écarte de la valeur théoriquement attendue.
Les équipes de Sergey G. Porsev de l'Université du Delaware et de Fang-Fei Wu du Wuhan Institute of Physics and Mathematics parviennent maintenant à la conclusion que les états quantiques électroniques à énergie négative résolvent complètement cette contradiction. Ainsi, les horloges atomiques à base de strontium peuvent désormais atteindre des précisions plus élevées que celles de 1 : 10¹⁸ qui pouvaient être obtenues jusqu'à présent. Ces horloges pourraient donc désormais devenir suffisamment précises pour des applications jusqu'ici inaccessibles, comme les mesures d'ondes gravitationnelles avec des constellations de satellites.
Les horloges atomiques de haute précision au strontium sont basées sur une transition énergétique spécifique à une longueur d'onde de 698 nanomètres dans cet atome. Afin d'utiliser sa fréquence pour des mesures de temps précises, les atomes sont maintenus dans une onde stationnaire de lumière laser dont la longueur d'onde est réglée de manière à déplacer le moins possible la fréquence de la transition. Mais il est impossible d'éviter une certaine interaction avec la lumière laser, et celle-ci dépend des polarisabilités du moment quadripolaire électrique et du moment dipolaire magnétique de l'atome de strontium. Les tentatives de calcul de ces deux grandeurs ont jusqu'à présent abouti à des contradictions avec les données de mesure : E2 est plus grand selon les calculs, M1 selon les mesures.
L'équipe de Porsev et Wu a refait ces calculs. Ils ont également pris en compte les états quantiques d'énergie négative, qui apparaissent comme des solutions des équations de la mécanique quantique pour les électrons de l'atome. Ceux-ci sont généralement omis parce que les particules réelles ont des énergies positives. Cependant, dans les calculs de E2 et M1, on utilise une méthode mathématique qui additionne tous les états possibles des particules impliquées afin d'obtenir la polarisabilité de l'ensemble du système. Il s'est avéré que tout le monde signifie effectivement tout le monde. Y compris ceux qui ont une énergie négative.
Le fait que les états quantiques d'énergie négative ne doivent pas être négligés dans de telles procédures théoriques avait déjà été démontré lors du calcul d'autres propriétés quantiques. Les spécialistes ont constaté que pour les horloges atomiques aussi, le fait d'inclure ces états dans la somme totale fait une différence considérable - mais pas pour les deux grandeurs considérées. Alors que les états d'énergie négative ne jouent pratiquement aucun rôle dans E2, ils constituent l'article le plus important dans M1. Grâce à cette correction, M1 est désormais plus grand que E2 et les calculs théoriques ne sont donc plus en contradiction fondamentale avec les propriétés mesurées de l'atome de strontium. Ainsi, l'interaction entre la lumière et l'atome peut désormais être calculée avec beaucoup plus de précision - et donc aussi la fréquence exacte qui sert à mesurer le temps.
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© liulolo / Getty Images / iStock (extrait) Dans les processus des horloges atomiques, il faut aussi tenir compte des particules à énergie négative.
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