“Stel je een horloge voor dat perfect nauwkeurig blijft, zelfs als je het miljarden jaren laat tikken.”
Al tientallen jaren worden atoomklokken gebruikt. Deze klokken meten de tijd met uitzonderlijke precisie door de trillingen van atomen te benutten. Zo precies, dat we erop vertrouwen voor onze GPS en zelfs de officiële lengte van een seconde ermee hebben vastgesteld. Onderzoekers hebben echter aangetoond dat het nog nauwkeuriger kan. In een nieuwe studie presenteren ze namelijk de eerste nucleaire klok ter wereld.
Atoomklok
Om te begrijpen waarom dit zo’n grote doorbraak is, moeten we eerst even terug naar de atoomklok. Elke klok heeft een mechanisme nodig om de tijd te meten, zoals de constante zwaai van de pendel in een pendule klok. Moderne precisieklokken gebruiken de trillingen van elektromagnetische golven voor deze taak; ze tellen de oscillaties van een laserstraal om tijdsintervallen te bepalen. Omdat de frequentie van een laser echter in de loop van de tijd kan variëren, moet deze frequentie regelmatig worden aangepast. “Daarom heb je naast de laser een kwantumsysteem nodig dat heel nauwkeurig reageert op een specifieke laserfrequentie,” legt onderzoeker Thorsten Schumm uit. “Dit kunnen bijvoorbeeld cesium- of strontiumatomen zijn. Wanneer deze atomen worden beschenen met laserlicht van precies de juiste frequentie, wisselen hun elektronen tussen twee kwantumtoestanden, wat je kunt meten. Als de frequentie van de laser verandert, komt deze niet meer precies overeen met de natuurlijke frequentie van de atomen, waardoor ze minder goed worden opgewonden. In dat geval moet de laser worden bijgesteld. Deze methode zorgt ervoor dat de laserfrequentie extreem stabiel blijft. Dit is de basis van een atoomklok.”
Atoomkern
Er bestaat echter al tientallen jaren een fascinerend idee: als we deze techniek niet met atomen, maar met atoomkernen (of nucleair) zouden toepassen, zou dat nog veel preciezer kunnen zijn. Atoomkernen zijn veel kleiner dan atomen en zijn veel minder gevoelig voor verstoringen, zoals externe elektromagnetische velden. Het grote probleem was echter dat het schakelen van atoomkernen tussen twee toestanden doorgaans veel meer energie vereist dan de energie van laserlicht, vaak wel duizend keer zoveel.
Thorium
De enige bekende uitzondering is thorium. ”Thoriumkernen hebben twee toestanden met bijna gelijkwaardige energie, waardoor je ze met lasers kunt schakelen,” zegt Schumm. “Maar om dit succesvol te doen, moet je het energieverschil tussen deze toestanden heel precies kennen. Jarenlang hebben onderzoeksteams wereldwijd gezocht naar deze exacte waarde om thoriumkernen gericht te kunnen schakelen. Wij zijn de eersten die hierin zijn geslaagd.”
Nucleaire klok
De onderzoekers kondigden al in april deze grote doorbraak aan. Maar nu krijgt het een interessant vervolg. Deze thoriumovergang is nu namelijk ook succesvol toegepast in de praktijk. De onderzoekers hebben een uiterst nauwkeurige optische atoomklok gecombineerd met een hogenergielasersysteem en deze gekoppeld aan een kristal met thoriumkernen. Deze thoriumkernen kunnen nu dienen als tijdmeetinstrument, waardoor de klok nog preciezer wordt. Dit resulteert in de eerste nucleaire klok ter wereld.
Toepassingen
Wat we eraan hebben? Allereerst zijn nucleaire klokken dus veel preciezer dan de huidige atoomklokken, die nu de officiële internationale tijd bijhouden en cruciaal zijn voor technologieën zoals GPS, internet-synchronisatie en financiële transacties. Voor het grote publiek kan de ontwikkeling van de nucleaire klok uiteindelijk leiden tot nog nauwkeuriger navigatiesystemen (met of zonder GPS), snellere internetverbindingen, betrouwbaardere netwerken en veiligere digitale communicatie.
Prototype
Het ontwikkelde prototype is op dit moment nog niet preciezer dan een reguliere atoomklok, maar dat was ook nog niet het doel. “Met dit eerste prototype hebben we aangetoond dat thorium kan dienen als een tijdmeetinstrument voor extreem nauwkeurige metingen,” verklaart Schumm. “Wat nu nog moet gebeuren, is het verdere technische ontwikkelingswerk, waarbij we geen grote problemen verwachten. Ons doel was om een nieuwe technologie te ontwikkelen. Zodra die er is, zal de verbetering in kwaliteit vanzelf volgen, zoals altijd het geval is geweest. De eerste auto’s waren immers niet sneller dan koetsen; het ging erom een nieuw concept te introduceren. En dat hebben we nu bereikt met de nucleaire klok.”
Energie
Dit heeft het ook mogelijk gemaakt om de energie van de thoriumtoestanden met uitzonderlijke precisie te meten, veel beter dan ooit tevoren. “Toen we de overgang voor het eerst induceerden, konden we de frequentie tot op een paar gigahertz bepalen,” vertelt Schumm. “Dat was al meer dan duizend keer beter was dan wat voorheen bekend was. Nu hebben we precisie in het kilohertz-bereik, wat nog eens een miljoen keer beter is. Op deze manier verwachten we binnen 2 tot 3 jaar de meest nauwkeurige atoomklokken te overtreffen.”
Precies
Hoe precies de nucleaire klok zal zijn? “Stel je een horloge dat perfect nauwkeurig blijft, zelfs als je het miljarden jaren laat tikken,” schetst onderzoeker Jun Ye. “Hoewel we nog niet op dat punt zijn, brengt dit onderzoek ons steeds dichterbij zo’n extreem niveau van precisie.”
De nucleaire klok kan de manier waarop we de tijd meten revolutioneren. Maar dat niet alleen. Het kan ook de precisie verhogen waarmee we andere fysieke grootheden in de toekomst meten. In diverse onderzoeksvelden, van geologie tot astrofysica, kan de thoriumtechnologie aanzienlijke vooruitgangen bieden. Deze extreme precisie zou bijvoorbeeld kunnen bijdragen aan het opsporen van donkere materie of bevestigen of natuurconstanten wel echt constant zijn, wat het mogelijk maakt om theorieën in de deeltjesfysica te testen zonder dat grote deeltjesversnellers nodig zijn.
