Atoomklokken zijn al meer dan zeventig jaar het meest nauwkeurige tijdwaarnemingsmiddel ter wereld, maar hun heerschappij zou eindelijk ten einde kunnen komen. Een internationaal onderzoeksteam is dichter dan ooit bij de voltooiing van het eerste prototype van een nucleaire klok, zo blijkt uit een aankondiging van 4 september door het National Institute of Standards and Technology (NIST). Wanneer het arriveert, zijn experts van mening dat de verbeterde nauwkeurigheid niet alleen alles kan verbeteren, van GPS- en internetsnelheden tot digitale veiligheid; een dergelijk apparaat zou ook kunnen helpen de aard van donkere materie en andere fundamentele theorieën van de deeltjesfysica te onderzoeken.
Op het eerste gezicht klinkt het misschien niet alsof er een groot verschil is tussen de twee uur, maar het zit allemaal in de schaal. Atoomklokken baseren hun tijdregistratie op het meten van de exacte trillingen van individuele atomen om één seconde te markeren. Om dit te doen, wordt krachtig laserlicht getraind op een cesium-133-atoom, dat vervolgens zijn elektronen exciteert in een fasering tussen energieniveaus met precies 9.192.631.770 trillingen in een periode van één seconde. Atoomkloknetwerken over de hele planeet synchroniseren vervolgens hun systemen met deze meting om uiterst nauwkeurige coördinatie te bieden voor internetcommunicatie, kartering, ruimtelanceringen en vele andere toepassingen. Sinds 2014 is de belangrijkste huidige standaard in de VS – een cesiumfonteinklok gehuisvest bij NIST – in staat de tijd bij te houden met een onzekerheid van 1 seconde in 300 miljoen jaar.
Nucleaire klokken zouden deze concepten echter toepassen op exponentieel nauwkeurig afgestemde parameters. Zoals hun naam doet vermoeden, concentreren deze apparaten zich op de trillingen van een enkele kern, in tegenstelling tot de trillingen van een groter atoom. Laserlicht gericht op kernen (100.000 keer kleiner dan een totaal atoom) heeft hogere frequenties nodig, wat ook zorgt voor meer golfcycli per seconde. Hierdoor nemen de trillingen per seconde toe, wat vervolgens een grotere nauwkeurigheid mogelijk maakt. Theoretisch resulteert dit in tijdsonzekerheden waardoor 300 miljoen jaar in vergelijking daarmee onbetrouwbaar lijkt.
“Stel je een polshorloge voor dat geen seconde verliest, zelfs als je het miljarden jaren laat lopen”, zei natuurkundige Jun Ye van NIST en JILA in de aankondiging van woensdag. “Hoewel we er nog niet helemaal zijn, brengt dit onderzoek ons dichter bij dat precisieniveau.”
Over het algemeen hebben kernen coherente röntgenstraling nodig om vergelijkbare fasesprongen te maken, maar de huidige technologie kan eenvoudigweg niet de energieniveaus produceren die daarvoor nodig zijn. Om deze hindernis te omzeilen, wendden de onderzoekers zich tot thorium-229, waarvan de kern een kleinere sprong vertoont dan enig ander bekend atoom, terwijl voor stimulatie alleen ultraviolet licht met lagere energie nodig is.
Toen de thoriumkernen eenmaal in het kleine kristal waren gesuspendeerd, bestraalden de onderzoekers het met UV-laserstralen met voorspelbare intervallen, terwijl ze een zogenaamde optische frequentiekam gebruikten – beschreven als een ‘uiterst nauwkeurige lichtliniaal’ – om de vibrerende ‘teken’ van protonen en De resultaten waren ongeveer een miljoen keer nauwkeuriger dan eerdere op golflengte gebaseerde metingen. Het team vergeleek ook hun UV-frequentie met de optische frequentie van een van ‘s werelds meest nauwkeurige op strontium gebaseerde atoomklokken om de eerste ‘directe frequentieverbinding’ tot stand te brengen. “tussen nucleaire transities en het atoomblok – “een belangrijke stap in de ontwikkeling van de nucleaire klok en de integratie ervan met bestaande tijdwaarnemingssystemen”, aldus NIST.
[Related: The most precise atomic clocks ever are proving Einstein right—again.]
Bij deze experimenten werden niet alleen de barrières van tijdmeting doorbroken. De nieuwe array stelde natuurkundigen ook in staat de vorm van de thoriumkern in baanbrekend detail waar te nemen, wat het team vergelijkt met het kunnen zien van individuele grassprieten vanuit een vliegtuig.
Hoewel het geen volledig voltooide nucleaire klok is, hebben onderzoekers voor het eerst de haalbaarheid van de basisprincipes ervan aangetoond. Vanaf hier kunnen experts nu beginnen met het ontwerpen van een echt apparaat om dergelijke tools in de praktijk te brengen. Wanneer ze voltooid zijn, zouden nucleaire klokken op een dag snellere en betrouwbaardere internetverbindingen en nauwkeurigere kaartsystemen kunnen ondersteunen en grote ontdekkingen in de wereld van de natuurkunde kunnen faciliteren, zoals het ontdekken van donkere materie of het verifiëren van de theoretische constanten van de natuur, allemaal zonder de noodzaak van enorme deeltjes. . versnellers.