Twee onafhankelijke onderzoeksteams presenteerden in Nature de eerste werkende kernklokken met thorium-229: een samenwerking onder leiding van TU Wien en het Duitse PTB, en een team van de Tsinghua-universiteit in Peking. De doorbraak: een overgang in de atoomkern gebruiken als referentie om tijd te meten.
4
17
Hoe een kernklok de tijd bijhoudt
Conventionele atoomklokken meten overgangen van elektronen in atomen. De nieuwe prototypes gebruiken overgangen in de kernen van het isotoop thorium-229, ingebed in kristallen van calciumfluoride (CaF₂). Het zijn dus geen klokken die radioactief verval of een kernreactie meten: ze volgen de frequentie van licht dat een specifieke kernovergang aanslaat.
17
37
In het experiment in Wenen werd een continue laser afgestemd op de overgang bij 148 nanometer. Snelle terugkoppeling, gebaseerd op absorptiespectroscopie van de thoriumkernen, corrigeerde de laserfrequentie.
33
Wat de twee teams lieten zien
Het team van TU Wien en PTB toonde aan dat het systeem zichzelf kan stabiliseren en meer dan 24 uur zonder ingrijpen kan blijven werken. Over een etmaal gemeten kwam de frequentie-instabiliteit in de buurt van 10⁻¹⁵. Dat wordt vaak omschreven als een afwijking van ongeveer één seconde in 30 miljoen jaar. Die vergelijking geeft de meetnauwkeurigheid weer; de klok is uiteraard niet zo lang getest.
9
33
Het team van Tsinghua meldde een stabiliteit die ongeveer zes keer hoger lag dan die van het prototype uit Wenen. In aparte tests leverden onafhankelijk gegroeide kristallen bijna identieke signalen op: de metingen kwamen volgens de onderzoekers overeen tot ongeveer drie delen op tien biljoen.
19
20
Die getallen beschrijven verschillende eigenschappen. Stabiliteit geeft aan hoeveel de frequentie in de tijd verandert; overeenstemming tussen kristallen zegt iets over de reproduceerbaarheid van metingen. Geen van beide is op zichzelf een vergelijking van de absolute nauwkeurigheid van de twee klokken. De gerapporteerde frequentie-instabiliteit was 5 × 10⁻¹³/√(τ/s) voor het Tsinghua-apparaat en 3 × 10⁻¹²/√(τ/s) voor de samenwerking tussen PTB en TU Wien. τ staat voor de middelingstijd.
33
39
Een belangrijke stap, nog geen nauwkeurigheidsrecord
Dat twee onafhankelijke teams werkende systemen demonstreerden, laat zien dat de aanpak niet beperkt is tot één enkele opstelling. Maar het gaat nog om prototypes: uit de gepubliceerde resultaten blijkt niet dat ze de beste atoomklokken al voorbijstreven.
4
17
Het verschil in stabiliteit spreekt de gemelde waarde van ongeveer 10⁻¹⁵ voor de meting in Wenen niet tegen: het gaat om verschillende metingen en tijdschalen. Daarom moet bij de uitspraak dat het ene apparaat ‘zes keer beter’ is, duidelijk zijn welke eigenschap precies wordt vergeleken.
9
33
39
Waar de technologie toe kan leiden
Kernklokken worden gezien als mogelijke nieuwe instrumenten om fundamentele natuurkunde te testen. Het team in Wenen gebruikte de klok om te zoeken naar periodieke veranderingen en langzame verschuivingen in de energie van de kernovergang. Daarmee werden modellen van ultralichte donkere materie begrensd. Dat is een beperking van modellen, geen aanwijzing dat donkere materie is waargenomen.
33
Onderzoekers noemen ook mogelijkheden voor nauwkeurige tijdmeting en draagbare systemen. De gepresenteerde resultaten gaan echter over prototypes, niet over kant-en-klare toepassingen in satellietnavigatie of andere infrastructuur.
4
8
17
De voorzichtige conclusie is helder: twee onafhankelijke teams hebben voor het eerst werkende klokken gedemonstreerd die een kernovergang van thorium-229 gebruiken. De zelfstabilisatie in Wenen, de hogere gerapporteerde stabiliteit van Tsinghua en de overeenstemming tussen afzonderlijk gemaakte kristallen zijn betekenisvolle stappen. Ze bewijzen niet dat kernklokken de beste atoomklokken al hebben ingehaald.
9
19
33