Mesurer le temps avec une précision toujours plus grande constitue l’une des grandes ambitions de la physique moderne. Deux équipes scientifiques, en Autriche et en Chine, viennent de franchir une étape décisive en mettant au point les premières horloges nucléaires fonctionnelles. Publiés le 7 octobre 2026 dans la revue Nature, leurs travaux ouvrent la perspective d’instruments capables, à terme, de surpasser les meilleures horloges atomiques et d’explorer certains mystères fondamentaux de l’Univers.
Depuis plusieurs décennies, les horloges atomiques constituent la référence mondiale pour mesurer le temps. Elles interviennent dans la synchronisation des réseaux de télécommunication, les systèmes de navigation par satellite et de nombreuses expériences scientifiques.
Leur fonctionnement repose sur une propriété des atomes : leurs électrons peuvent passer d’un niveau d’énergie à un autre en absorbant ou en émettant un rayonnement d’une fréquence précise. Cette fréquence sert de référence pour mesurer les secondes avec une régularité exceptionnelle.
Mais les chercheurs poursuivent depuis longtemps une idée plus ambitieuse : utiliser directement le noyau atomique, plutôt que les électrons qui l’entourent, comme référence temporelle.
Le thorium 229, au cœur d’une révolution scientifique
La difficulté tient à la nature même des noyaux atomiques. Les transitions entre leurs niveaux d’énergie nécessitent généralement des rayonnements difficiles à produire et à contrôler avec les technologies laser habituelles.
Un isotope radioactif, le thorium 229, présente cependant une particularité remarquable. Deux de ses états nucléaires possèdent des énergies suffisamment proches pour permettre une excitation au moyen d’un laser ultraviolet spécialement conçu.
Les chercheurs ont exploité cette propriété en incorporant des noyaux de thorium 229 dans des cristaux de fluorure de calcium. En ajustant la fréquence du laser sur celle de la transition nucléaire, ils ont obtenu une référence extrêmement régulière, comparable au mécanisme qui permet aux horloges atomiques de fonctionner.
L’intérêt est considérable. Le noyau étant beaucoup plus petit que l’atome dans son ensemble, il est généralement moins sensible à certaines perturbations extérieures, notamment celles provoquées par les champs électromagnétiques.
Cette résistance pourrait permettre de construire des horloges encore plus stables, capables de mesurer des variations infimes aujourd’hui difficiles à observer.
Deux équipes, deux avancées complémentaires
Les travaux ont été menés indépendamment par une équipe européenne associant notamment l’Université technique de Vienne et des chercheurs allemands, et par une équipe chinoise conduite depuis l’Université Tsinghua, à Pékin.
À Vienne, les scientifiques ont réalisé une horloge nucléaire dotée d’un système de correction automatique. Lorsque la fréquence du laser s’écarte légèrement de celle du noyau, le dispositif détecte cette variation et la corrige. L’horloge a ainsi fonctionné pendant plus de vingt-quatre heures sans intervention extérieure.
Sa stabilité mesurée correspond approximativement à une dérive d’une seconde sur trente millions d’années. Une performance remarquable pour un premier prototype, mais encore inférieure à celle des meilleures horloges atomiques optiques.
L’équipe chinoise a développé une approche différente, reposant notamment sur une excitation laser plus intense. Elle a obtenu une stabilité supérieure à celle du dispositif viennois et démontré que deux cristaux préparés séparément pouvaient fournir des références temporelles cohérentes.
Ces résultats montrent que plusieurs voies techniques sont désormais possibles. Leur combinaison pourrait accélérer les progrès vers une nouvelle génération d’instruments de mesure.
Mesurer le temps pour mieux comprendre l’Univers
L’intérêt des horloges nucléaires dépasse largement la fabrication d’instruments toujours plus précis.
À long terme, elles pourraient améliorer certaines technologies de navigation, la synchronisation des réseaux et les mesures géophysiques. Elles offriraient également aux chercheurs de nouveaux moyens de vérifier les lois fondamentales de la physique.
L’équipe européenne a déjà utilisé son dispositif pour rechercher d’éventuelles variations extrêmement faibles pouvant être associées à certaines hypothèses sur la matière noire. Aucune détection n’a été obtenue, mais l’expérience démontre que ces horloges peuvent servir à explorer des phénomènes jusqu’ici difficilement accessibles.
Les scientifiques envisagent notamment de tester la stabilité de certaines constantes fondamentales, ces grandeurs physiques qui interviennent dans les lois décrivant le fonctionnement de l’Univers.
Il reste néanmoins plusieurs obstacles à surmonter. Les chercheurs devront perfectionner les cristaux, renforcer les systèmes laser et réduire davantage les perturbations susceptibles d’affecter les mesures. Les premières horloges nucléaires ne sont donc pas encore destinées à remplacer les instruments actuels.
Leur importance réside ailleurs : une idée longtemps confinée aux modèles théoriques est devenue une technologie expérimentale fonctionnelle. En apprenant à mesurer le temps à partir du cœur même de l’atome, les physiciens ouvrent une nouvelle voie pour observer le monde avec une précision qui pourrait, demain, transformer notre compréhension de l’Univers.
La Rédaction
Sources et références scientifiques
- Toscani De Col, L., Riebner, T., Morawetz, I. et al. (2026). A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop. Nature, 7 octobre 2026. Étude originale.
- Huang, B., Yan, G., Xiao, Q. et al. (2026). A nuclear clock synchronized to ²²⁹Th. Nature, 7 octobre 2026. Étude originale.
- Kawasaki, A. (2026). Nuclear clocks tick for the first time. Nature, 7 octobre 2026. Analyse scientifique.
- Université technique de Vienne (TU Wien), 7 octobre 2026. The First Stand-Alone Nuclear Clock is Ticking in Vienna. Communiqué scientifique.
- Université Tsinghua, département de physique, 9 octobre 2026. Tsinghua team achieves breakthrough in nuclear clock technology. Présentation des travaux.
