Prendre des mesures avec un peigne à dents fines

Pour beaucoup de gens, une mesure semble banale, comme marquer des graduations sur une règle ou lire la ligne sur un thermomètre. C'est une donnée. Et ils ont tendance à penser que les mesures améliorées ressemblent à des graduations de plus en plus fines sur une règle. Mais faire de nouvelles mesures, c'est plus que faire des marques plus fines sur une règle. Mesurer quelque chose, c'est le comprendre, le démonter et voir comment cela fonctionne. De nouvelles mesures peuvent ouvrir des possibilités auxquelles même les scientifiques n'avaient jamais pensé lorsqu'ils ont commencé. Il n'y a peut-être pas de meilleur exemple que le peigne de fréquence optique. Très simplement, cet appareil est une règle pour la lumière. Pourtant, c'est bien plus qu'une règle.

Les ondes radio, les micro-ondes, la lumière visible, les rayons X et l'infrarouge font tous partie du spectre des fréquences électromagnétiques. Ce sont toutes des ondes qui se déplacent à la vitesse de la lumière, mais la distance entre les pics de ces ondes peut être distante de plusieurs kilomètres, comme certaines ondes radio, ou de quelques nanomètres, comme la lumière visible et l'ultraviolet.

Dans les années 1970, les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) étaient bloqués. Ils voulaient des horloges atomiques plus précises et précises, basées sur les très hautes fréquences optiques de la lumière émises par les atomes lorsque leurs électrons sautent entre les états d'énergie, par opposition aux fréquences micro-ondes inférieures qu'ils utilisaient. De meilleures horloges leur donneraient une définition plus précise de la seconde. Une seconde plus précise leur donnerait une meilleure définition du mètre, qui est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une infime fraction de seconde. Mais tout cela reposait sur la capacité de mesurer ces fréquences de lumière avec exactitude et précision.

Il y avait un écart de mesure entre les deux extrémités du spectre électromagnétique. Les scientifiques pouvaient mesurer avec précision les fréquences radio et micro-ondes, mais il n'y avait pas d'électronique capable de compter assez rapidement pour suivre les fréquences optiques de l'atome. Ils pourraient utiliser un laser avec une fréquence correspondante pour lire la fréquence optique de l'atome. Les scientifiques avaient des lasers avec des fréquences exactes connues, mais ils ne pouvaient produire qu'une seule fréquence ou couleur. Sans connaître la fréquence exacte de l'atome, trouver la bonne fréquence laser pour lire l'atome prendrait beaucoup d'essais et d'erreurs. Les scientifiques du NIST ont essayé de connecter en guirlande plusieurs lasers de fréquences différentes pour créer une règle optique rudimentaire. Cela a assez bien fonctionné pour redéfinir le compteur, mais ce n'était pas une solution à long terme.

Entrez dans le peigne de fréquence, un appareil lauréat du prix Nobel et le résultat de décennies de recherche du NIST et d'autres. Le peigne génère un milliard d'impulsions de lumière par seconde, qui rebondissent dans une cavité optique. Cela crée des millions de pointes de fréquences optiques qui ressemblent à des dents de couleur arc-en-ciel sur un peigne (d'où le nom). La première dent de ce peigne est réglée sur une fréquence connue, ce qui donne aux scientifiques un point de départ pour lire les autres fréquences. Tout comme une règle, si vous savez que le premier marqueur est à un millimètre et que chaque marqueur est à un millimètre d'intervalle, vous pouvez facilement commencer à mesurer. De même, parce qu'ils savent exactement à quelle distance ces fréquences sont éloignées, les scientifiques peuvent traduire ces signaux optiques en micro-ondes avec une formule mathématique simple, joignant les deux extrémités du spectre électromagnétique. Cela ouvre de nombreuses portes à la recherche.

Les scientifiques ont utilisé cette nouvelle technologie pour fabriquer de meilleures horloges, développant finalement des horloges 100 fois meilleures que les horloges au césium utilisées pour les normes de temps civiles. Des horloges plus précises et précises sont essentielles pour la navigation GPS, qui s'appuie sur des signaux horaires précis pour déterminer votre position. De meilleures horloges présentent également des avantages pour la recherche, allant de la détection de minuscules changements de gravité à l'étude des phénomènes du monde quantique et peut-être à la recherche de matière noire. Ces horloges peuvent éventuellement changer la façon dont nous définissons une seconde.

Tous les atomes et molécules émettent des fréquences lumineuses uniques lorsqu'ils sautent d'un état d'énergie à l'autre, pas seulement les atomes utilisés dans les horloges. Si l'une des fréquences du peigne frappe un atome ou une molécule avec exactement la même fréquence, les scientifiques peuvent identifier le type d'atome ou de molécule qu'ils ont touché. En utilisant le peigne de fréquence optique, les scientifiques ont pu étudier la composition des étoiles avec des détails exquis. Les astrophysiciens peuvent dire s'ils ont trouvé une nouvelle planète en mesurant les changements de fréquences de la lumière des étoiles. En utilisant des peignes de fréquence, nous pouvons améliorer les systèmes de télémétrie, qui font rebondir la lumière sur les objets pour les détecter comme un radar ou un sonar. Ils peuvent voir des objets à travers les flammes, aidant les scientifiques du NIST à étudier comment les structures échouent lors d'un incendie. Le peigne est également utilisé pour détecter même les plus petites quantités de gaz à effet de serre dans l'air ou rechercher des maladies dans l'haleine humaine.