Doorbraak in nucleaire kloktechnologie belooft ongekende precisie in tijdmeting en verbeterde navigatie en communicatie

AmsterdamWetenschappers van JILA, een onderzoeksinstituut verbonden aan NIST en de Universiteit van Colorado Boulder, hebben vooruitgang geboekt in nucleaire klokken en daarmee de nauwkeurigheid van tijdmeting verbeterd. In tegenstelling tot atoomklokken die veranderingen in energieniveaus van elektronen gebruiken, meten nucleaire klokken veranderingen in de energieniveaus van de kern van een atoom, bestaande uit protonen en neutronen.

De onderzoekers demonstreerden cruciale onderdelen van deze atoomklok met behulp van thorium-229. Dit deden ze door:

• Gebruik van een speciaal ontworpen ultraviolet laser om de frequentie van een energieovergang in thoriumkernen ingebed in een vaste kristal te meten.
• Toepassing van een optische frequentiekam om het aantal ultraviolette golfcycli die overeenkomen met deze energieovergang te tellen.
• Leggen van een directe frequentiekoppeling tussen de thorium kernovergang en een atoomklok met behulp van strontium.

Deze baanbrekende technologie belooft uiterst nauwkeurige tijdwaarneming. Huidige atoomklokken, die cruciaal zijn voor GPS, internet-timing en financiële transacties, kunnen in precisie worden overtroffen door nucleaire klokken. Deze vooruitgang kan resulteren in betere navigatiesystemen, sneller internet en veiliger digitale communicatie.

Kernklokken zijn beter bestand tegen externe verstoringen dan atoomklokken. Bij atoomklokken worden elektronen beïnvloed door elektromagnetische velden, terwijl nucleaire overgangen hier minder last van hebben. Daarnaast meten kernklokken de tijd nauwkeuriger omdat ze opereren op een hogere frequentie dankzij snellere energieveranderingen.

Het opwekken van coherente röntgenstraling voor kernovergangen is lastig. Maar thorium-229 is bijzonder omdat zijn overgang kan worden geactiveerd met ultraviolet licht, wat makkelijker in een laboratorium te genereren is. Recente experimenten hebben deze overgang met succes waargenomen en toegepast, wat ons dichter bij de ontwikkeling van nucleaire klokken brengt.

Onderzoek onthulde nieuwe details over de vorm van de thoriumkern, waarmee de hoge precisie van deze nieuwe technologie werd aangetoond. Ongekende kenmerken in de thoriumkern bieden inzichten die fundamentele natuurkundige experimenten kunnen veranderen. Zo zouden nucleaire klokken kunnen helpen bij het detecteren van donkere materie of het bevestigen van de stabiliteit van natuurconstanten, taken die normaal gesproken door grote deeltjesversnellers worden uitgevoerd.

Een nieuw soort draagbare en betrouwbare nucleaire klok wordt ontwikkeld. Wetenschappers onderzoeken het gebruik van thorium ingebed in een vaste kristal om deze apparaten te maken. Deze methode is veelbelovend omdat de kern van thorium minder beïnvloed wordt door omgevingsveranderingen. Fysicus Jun Ye van NIST en JILA merkte op dat hoewel een polshorloge dat miljarden jaren nauwkeurig blijft nog niet mogelijk is, het onderzoek aanzienlijke vooruitgang boekt in die richting.

Verbeterde kloknauwkeurigheid kan leiden tot belangrijke vooruitgang in diverse gebieden zoals transport, communicatie en theoretische natuurkunde. Dit zou de weg kunnen banen voor aanzienlijke doorbraken in deze vakgebieden, allemaal beïnvloed door betere tijdwaarneming.