Deze nieuwe atoomklok blijft 15 miljard jaar lang nauwkeurig

De meest nauwkeurige optische klok ter wereld is nu drie keer nauwkeuriger geworden dan een jaar geleden, een ontwikkeling die mogelijk wordt gemaakt door ingenieurs en natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology en het JILA lab van de University of Colorado. De klok kan de tijd 15 miljard jaar lang bijhouden – de leeftijd van ons universum – zonder ook maar één enkele seconde te missen.

De stabiliteit van een klok wordt gemeten in hoe nauwkeurig de tikken op elkaar volgen. Deze nauwkeurigheid is het laatste jaar met 50 procent toegenomen, en de JILA-klok zette ook het vorige wereldrecord.

Nu is de klok ook in staat om verschuivingen in zwaartekracht te meten, wat handig is aangezien verschuivingen in zwaartekracht de tijd laten verschuiven. "Precieze en accurate optische atoomklokken hebben potentie om de wereldwijde tijdwaarneming te veranderen, verbeteringen die veel toepassingen kunnen hebben voor de wetenschap en de technologie," verklaren de JILI/NIST-onderzoekers, onder leiding van Jun Ye, in het paper in Nature Communications. "Betere atoomklokken nastreven heeft impact op verschillende wetenschappelijk discipline's; zo kunnen deze bijvoorbeeld leiden tot diepere inzichten in de quantumwetenschap, en nauwkeurigere experimenten op het vlak van relativiteit."

Maar wat is een optical lattice klok? Optical lattice is in feite een rooster van kruisende laserstralen; het patroon dat gevormd wordt creëert diepte op een plat vlak. De atoom ligt in een van deze verdiepingen, dus er uit ontsnappen zou extra energie kosten. Je zou het kunnen vergelijken met een ei dat in een kartonnen eierdoos ligt, en bij de JILA-klok zijn duizenden atomen op deze manier opgesteld.

De atomen worden omgeven door een aantal elektronen, deze draaien in verschillende lagen in een baan om de atoom heen. De verschillende lagen zijn afhankelijk van de variërende energieniveaus van de elektronen. In de binnenste schil vinden we het laagste energieniveau's, en naar mate je naar de buitenste schillen beweegt stijgt het energiegehalte van de elektronen.

De schillen zijn discreet, wat betekent dat er stappen tussen zitten. Het is mogelijk om een elektron te prikkelen zodat hij naar een andere schil springt door er fotonen op af te vuren. Zoals gezegd zijn er geen energieniveau's die tussen twee schillen in liggen, dus de enige manier om dat de elektron te laten verspringen is door er precies de juiste hoeveelheid fotonen op af te vuren.

Met andere woorden: de enige hoeveelheid energie die een elektron kan opnemen is het verschil in energie tussen de schillen. In een optical lattice-klok vuren de laserstralen op de 'gevangen' atomen, waardoor elektronen wel of niet naar een volgende laag verspringen; dit fenomeen staat bekend als de "clock state." Hoe dichter de frequentie van de straal bij de benodigde frequentie komt om de elektron te laten verspringen, hoe groter de kans wordt dat het deeltje dit ook daadwerkelijk gaat doen.

Dit komt op het volgende neer: er worden laserstralen afgevuurd op atomen, en afhankelijk van het feit of de elektronen wel of niet verspringen, kan de staat van de klok worden afgemeten.

Als een geladen elektron 'verveeld' raakt, en naar een lagere energielaag afzakt, wordt de tijd afgemeten aan de frequentie van het aantal prikkelingen van de atoom, die worden bepaald door de laserstralen. Hoe meer atomen er gebruikt worden hoe beter er afwijkingen geëlimineerd kunnen worden (door gemiddelden te nemen van alle atomen). Hierdoor zorgt een grotere hoeveelheid atomen voor een preciezere klok. Ter vergelijking: conventionele atoomklokken zijn vaak maar met één atoom uitgerust.

Dit is overigens waar de statistieken uit de titel vandaan komen: neem de afwijking van alle atomen en deel dit door één, dan deel je dat cijfer door het aantal seconden in een jaar (31.5 miljoen). Het resultaat is het minimum aan jaren dat nodig is om één seconde afwijking te bereiken.

Ooit was tijdwaarneming een innovatie die mensen in staat stelde om dezelfde maatstaven te hanteren wat tijd betreft. Met dank aan de Unix Epoch Clock, kunnen we er zeker van zijn dat al onze computers op dezelfde manier de tijd bijhouden. Hidetoshi Kator, de natuurkundige die de eerste optical lattice-klok in 2001 ontwikkelde, merkt in de video hierboven op dat optische atoomklokken nog iets bijzonders te bieden hebben: de mogelijkheid om verschillen in tijd te ontdekken. Tijd verandert overal, omdat massa ook verandert, en met de subatomaire natuurkunde kunnen deze minuscule details waargenomen worden.