Natuurkundigen hebben alle componenten van een atoomklok gedemonstreerd: apparaten die de tijd meten door kleine energieverschuivingen binnen een atoomkern te meten. Dergelijke klokken kunnen leiden tot aanzienlijke verbeteringen in precisiemetingen en tot nieuwe inzichten in de fundamentele natuurkunde.

De onderzoekers maten de frequentie van het licht dat ervoor zorgt dat de kernen van de zeldzame isotoop thorium-229 overgaan naar een hogere energietoestand – de ‘klok’ van de atoomklok – met een nauwkeurigheid die 100.000 keer hoger is dan de vorige beste waarde. Ze bereikten dit door de energiemigratie te synchroniseren met de klok van de meest nauwkeurige klok ter wereld. Het werk werd geleid door Jun Ye van JILA, een onderzoeksinstituut in Boulder, Colorado, en werd op 5 september gepubliceerd in Nature. “Het is echt een van de meest opwindende artikelen uit de recente geschiedenis”, zegt Marianna Safronova, kernfysicus aan de Universiteit van Delaware in Newark.

De doorbraak kwam door het onderzoeken van thorium-229-kernen met een laserapparaat dat een frequentiekam wordt genoemd. De opstelling is technisch gezien geen horloge aangezien deze nog niet is gebruikt om de tijd te meten. Maar zulke indrukwekkende resultaten maken de ontwikkeling van een atoomklok mogelijk, zegt Safronova.

Metingen van de klok blijken al nuttig te zijn in de deeltjesfysica, zegt Elina Fuchs, theoretisch natuurkundige aan de Leibniz Universiteit in Hannover, Duitsland. En omdat de frequentie van de klok wordt bepaald door de fundamentele krachten die de kern bij elkaar houden, zou het prototype kunnen bepalen of een soort donkere materie – een onzichtbare substantie die ongeveer 85% van de materie in het universum uitmaakt – deze krachten op kleine schaal beïnvloedt. “Dit is een nieuw, direct venster op kernenergie”, zegt Fuchs.

Ultieme uurwerken

De beste klokken ter wereld, atoomklokken genoemd, meten de tijd met behulp van lasers - de frequentie van het licht is nauwkeurig afgestemd om de energie te verkrijgen die nodig is om elektronen tussen twee energieniveaus binnen een atoom te verplaatsen. De meest nauwkeurige atoomklok wint of verliest slechts één seconde per 40 miljard jaar. Een atoomklok zou iets anders werken: de klok zou overeenkomen met de energietransities van protonen en neutronen, in plaats van van elektronen, wanneer ze in een aangeslagen toestand komen.

Deze energieverschuiving vereist een iets hogere ultraviolette frequentie, wat resulteert in een snellere timing die de nauwkeurigheid van de atoomklok zou kunnen evenaren of zelfs overtreffen. Maar het grootste potentiële voordeel van de atoomklok ligt in de combinatie van precisie en stabiliteit. Deeltjes in de kern zijn minder gevoelig dan elektronen voor verstoringen zoals elektromagnetische velden - wat betekent dat een atoomklok draagbaar en robuust zou kunnen zijn. “Het wordt ongevoelig op een manier die moeilijk voor te stellen is in termen van hoe onze klokken vandaag de dag werken”, zegt Anne Curtis, experimenteel natuurkundige bij het National Physical Laboratory in Teddington, Verenigd Koninkrijk.

Maar het vinden van het juiste type atoomkern om te gebruiken en het bepalen van de frequentie die nodig is om deze naar een andere energietoestand te verplaatsen, is voor natuurkundigen al vijftig jaar een klus. In de jaren zeventig suggereerde indirect bewijs dat thorium-229 een vreemde, energiezuinige nucleaire transitie doormaakte - een transitie die uiteindelijk zou kunnen worden veroorzaakt door tafelplasma. Maar pas vorig jaar ontdekten wetenschappers de benodigde frequentie - en dit jaar hebben ze met succes de transitie op gang gebracht met een laser.

Het JILA-team zocht naar de overgangsfrequentie in biljoenen thorium-229-atomen ingebed in het kristal met behulp van een systeem dat bekend staat als een frequentiekam. De kam creëert een reeks laserfrequentielijnen die regelmatig en gelijkmatig verdeeld zijn. Hierdoor kunnen onderzoekers het kristal op veel precieze frequenties tegelijk belichten om naar een treffer te zoeken, in plaats van moeizaam door het spectrum van mogelijke opties te scannen met een laser met één frequentie.

De instellingen van de kam - inclusief de breedte van de openingen tussen de lijnen, of "tanden" - werden gekalibreerd met behulp van de atoomklok en konden worden aangepast. Het team voerde verschillende experimentele runs uit, en toen ze de karakteristieke gloed observeerden die optreedt wanneer thorium-229-atomen uit hun aangeslagen toestand vervallen, gebruikten ze de instellingen om de frequentie te berekenen die het signaal bestuurt.

Het voor de eerste keer waarnemen van de transitie ‘voelde geweldig’, zegt co-auteur Chuankun Zhang, natuurkundige bij JILA. “We hebben de hele nacht tests gedaan om te kijken of dit inderdaad het signaal was waar we naar op zoek waren”, zegt hij.

Fundamentele krachten

Het bijzondere aan de frequentiekam is dat natuurkundigen hiermee de frequentieklok van een klok – hier de thorium-229-kern – kunnen meten in verhouding tot een andere bekende frequentie, in dit geval een atoomklok. Hierdoor kon het team niet alleen de absolute frequentiewaarde met hoge precisie bepalen, maar opende het ook een aantal interessante mogelijkheden in de natuurkunde, zegt Zhang.

Als de snelheid van de ene klok in de loop van de tijd verandert ten opzichte van de andere, zou dit erop kunnen wijzen dat factoren die het energieniveau bepalen – zoals de sterke nucleaire of elektromagnetische kracht – afdrijven of fluctueren, zegt Fuchs. Er wordt gedacht dat bepaalde ‘lichte’ vormen van donkere materie, die een extreem lage massa hebben, dit effect hebben, zegt ze.

Elke verandering in krachten zou worden versterkt in de frequentie van de binnenwaartse migratie van de kern, dus atoomklokken zouden potentieel ongeveer 100 miljoen keer gevoeliger kunnen zijn voor de effecten van dit soort donkere materie dan atoomklokken. Het nieuwste resultaat – dat de frequentie tot op 13 decimalen nauwkeurig weergeeft – is al nauwkeurig genoeg om de mogelijke energiegebieden waarin lichte, donkere materie zou kunnen bestaan, te verkleinen, zegt Fuchs. De kernfysica zou ook kunnen profiteren van de nauwkeurigere overgangsfrequentie, die wetenschappers zou kunnen helpen onderscheid te maken tussen verschillende mogelijke vormen van de thorium-229-kern.

Maar er moet nog meer werk worden verzet voordat atoomklokken de atoomklokken kunnen overtreffen, die momenteel tot op 19 decimalen nauwkeurig zijn. Onderzoekers zullen onderzoeken of het zinvol is om thorium-229 ingebed in een kristal te bewaren (een vaste stof is handig voor het maken van een draagbaar horloge) of dat het opsluiten van individuele atomen betere resultaten zou opleveren.

Ook het lasersysteem moet worden geoptimaliseerd. “Gelukkig heeft deze verbazingwekkende techniek een groot potentieel”, zegt Olga Kocharovskaya, natuurkundige aan de Texas A&M University in College Station. Het is een “prototype van de bron die in de toekomst zal worden gebruikt”, voegt ze eraan toe.