De belangrijkste onderdelen van een kernklok zijn voor het eerst succesvol samengebracht. Hiermee is een stabiele en compacte nucleaire klok binnen handbereik, die nog nauwkeuriger tikt dan de huidige atoomklokken.
De frequentie van het laserlicht dat nodig is om de kern van een thoriumatoom in een hogere energietoestand te brengen, is door een internationale onderzoeksgroep met ongekende precisie gemeten. Die frequentie kan gebruikt worden voor een ultranauwkeurige kernklok. Hoewel de gebruikte opstelling nog geen complete klok vormt, laat dit resultaat wel zien dat de bouw daarvan mogelijk is, schrijven natuurkundigen Jun Ye en collega’s in het wetenschappelijk vakblad Nature.
Extreem nauwkeurige klokken hebben tal van toepassingen. Ze zijn nodig voor navigatiesystemen, digitale geldtransacties en communicatie. Ook spelen ze een rol in wetenschappelijk onderzoek. Hoe beter je klok, hoe nauwkeuriger je bijvoorbeeld bepaalde natuurconstanten kunt meten, om zo te testen of ze echt wel zo constant zijn.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Tikken
Elke klok heeft iets nodig dat tikt. Bij een oude staande klok is dat een slinger, en in analoge kwartshorloges een trillend kwartskristal. En in ‘s werelds meest nauwkeurig klokken – atoomklokken – zijn dat atomen. Om precies te zijn: de elektronen die om atoomkernen heen draaien.
Met een doelgerichte laserstraal kun je die elektronen naar een hogere energietoestand laten springen. Dat lukt alleen met een laser waarbij de frequentie van het licht precies past bij het verschil in energie tussen de beide toestanden. Is de frequentie iets te hoog of iets te laag, dan heeft de laser te veel of te weinig energie en kunnen de elektronen het sprongetje niet maken. Die frequentie luistert zo nauw, dat je de laserpuls kunt inzetten als het extreem nauwkeurige tikken van een klok.
De beste atoomklokken zijn al zo precies dat twee klokken pas na 40 miljard jaar een seconde met elkaar uit de pas zouden lopen. Toch kan het nog beter. Kernklokken, of nucleaire klokken, zouden nog een tikje nauwkeuriger zijn en bovendien robuuster, stabieler en compacter.
Kernklok
Bij kernklokken komt het tikken niet van de energieovergangen van elektronen maar van atoomkernen. De energieovergangen binnen atoomkernen zijn minder gevoelig voor verstoringen, maar ook veel groter. Dat betekent dat je veel meer energie nodig hebt om een atoomkern een energie-sprongetje te laten maken. Zelfs de meest krachtige laser krijgt dit bij de meeste atoomkernen niet voor elkaar.
Maar er is een atoomkern met een energieovergang die nét binnen het bereik van lasers ligt: thorium-229. Eerder dit jaar lukte het onderzoekers al om met een doelgerichte laserstraal thorium-229-atoomkernen in die energietoestand te brengen. Nu hebben ze het voor elkaar gekregen om de frequentie van het laserlicht – en dus de hartslag van een toekomstige kernklok – miljoenen malen nauwkeuriger te meten. Dat is nodig als je deze frequentie wilt gebruiken voor het aansturen van een klok.
Thorium en strontium
In hun opstelling beschenen de onderzoekers een kristal met daarin biljoenen thorium-229-atoomkernen met een speciaal ontworpen frequentiekamlaser. Dit is een laser die licht geeft met verschillende frequentiepiekjes. De frequenties tussen die piekjes worden niet uitgezonden. Je hebt dus een reeks van frequentiepiekjes met telkens een vaste hoeveelheid ruimte ertussen, daarom wordt het een frequentie-kam genoemd. Een van die piekjes heeft de frequentie die precies past in een energieovergang van de thorium-229-atoomkernen.
Om de frequentie van de thorium-229-atoomkernen nauwkeurig te kunnen bepalen haalden de onderzoekers er een strontium-atoomklok bij. Dit is op dit moment de meest nauwkeurige atoomklok. Met behulp van de strontiumklok ijkten ze de frequentiekamlaser, en bepaalden ze hoeveel ruimte er zit tussen twee frequentiepiekjes.
Hierdoor konden de onderzoekers bovendien de frequentie van de thorium-229-klok vergelijken met de goed bekende frequentie van de strontiumklok. Daardoor konden ze de frequentie van de thorium-229-energieovergang nog nauwkeuriger bepalen. Dit leverde een ongekend precieze frequentiemeting op.
Kernonderzoek
Hiermee hebben de onderzoekers ‘een grote stap gezet in de richting van nucleaire klokken’, schrijven de niet betrokken fysici Adriana Pálffy van de Duitse Julius Maximilians-Universiteit in Würzburg, en José Crespo López-Urrutia, van het Duitse Max-Planck Instituut voor Kernfysica, in een bijgevoegd News and views-artikel in Nature.
Maar, schrijven ze, om van deze opstelling een werkende klok te maken, zijn er nog wel technologische verbeteringen nodig. Het tikken is namelijk nog niet nauwkeurig genoeg te meten om te dienen als klok.
Toch zijn er ook nu al toepassingen. Door de thorium-229-klok te vergelijken met de strontium-klok zou je bijvoorbeeld kunnen onderzoeken of de kernkrachten – die atoomkernen bij elkaar houden – echt zo constant zijn als ze lijken, of dat ze een piepklein beetje variëren. De ‘verbazingwekkende prestatie’ van de internationale onderzoekersgroep kan daarom in de toekomst leiden tot ‘veel fascinerende ontdekkingen’, besluiten Pálffy en Crespo López-Urrutia.
