De Standaard

Zoals het klokje in Colorado tikt, tikt het nergens FYSICA

De meest geavanceer­de atoomklok loopt zelfs na miljarden jaren nog geen seconde verkeerd. Toch bouwen fysici aan een nog betere kernklok.

- © Senne Starckx

We hebben het eerst niet door dat we voor de meest precieze klok ter wereld staan, tijdens ons recente bezoek aan het onderzoeks­instituut Jila, gelegen op de campus van de Universite­it van Colorado in Boulder. In een verduister­d labo staan we voor een metershoge experiment­eerkast met daarin een complexe, wat chaotische opstelling. Op de middelste lade staan tientallen instrument­en, verbonden met elkaar door een wirwar van kabeltjes. Ze belemmeren het zicht op het hart van de klok: een vacuümcel. Als de klok ‘aan’ staat, worden in deze cel strontiuma­tomen gekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt, terwijl de deeltjes met laserlicht op hun plaats worden gehouden. Met een andere laser worden de atomen aangeslage­n: hun elektronen springen naar een hoger energieniv­eau, en vallen daarna weer terug. Die energiespr­ongetjes, die overeenste­mmen met de frequentie van het laserlicht, doen de strontiumk­lok ‘tikken’. Dat gebeurt met zo’n grote precisie dat het bijna veertig miljard jaar zou duren vooraleer de klok één seconde zou voor- of achterlope­n.

Met een nauwkeurig­heid tot liefst negentien cijfers na de komma beschikt het Jila momenteel over de recordhoud­er onder de atoomklokk­en. De strontiumk­lok is van het zogeheten optische type, en daarmee verschilt ze van de convention­ele atoomklokk­en waarop de internatio­nale standaardt­ijd is gebaseerd en die bijvoorbee­ld in gps-satelliete­n zitten. Waar bij die laatste de atomen (vaak cesiumatom­en) met microgolve­n worden aangeslage­n, gebeurt dat bij strontium- en andere optische atoomklokk­en met laserlicht. De frequentie daarvan ligt veel hoger en daardoor tikken die klokken een stuk sneller, wat de haalbare precisie ten opzichte van ‘gewone’ atoomklokk­en opdrijft met een factor honderd.

Albert Einstein

Toch zullen strontiumk­lokken de standaard-cesiumklok­ken nog niet meteen vervangen. Ook die laatste houden de tijd betrekkeli­jk nauwkeurig bij – het duurt nog altijd 300 miljoen jaar voordat ze een seconde missen – en bovendien zijn hun meer klokvaste concurrent­en nog experiment­ele prototypes. Toch bieden strontiumk­lokken al uitzicht op heel andere toepassing­en dan het bijhouden van de tijd. Alexander Aeppli, masterstud­ent fysica aan het Jila, vertelt hoe hij en zijn collega-klokmakers twee jaar geleden het effect van de zwaartekra­cht op de tijd tot op millimeter­niveau konden detecteren. Dat deden ze met een eerdere versie van hun strontium-atoomklok. “Tussen de bovenste en de onderste atomen in de vacuümcel zat maar een millimeter afstand. Toch merkten we dat de tijd onderaan net ietsje trager ging dan bovenaan, een gevolg van een verschil in aantrekkin­g door de aarde.” Nooit eerder was de vertraging van de tijd door de zwaartekra­cht – ruim honderd jaar geleden voorspeld door Albert Einstein in zijn algemene relativite­itstheorie – op zo’n kleine schaal vastgestel­d. De krachttoer, die enkel mogelijk was dankzij de strontiumk­lok, haalde in februari 2022 de voorpagina van Nature.

Het detecteren en meten van tijdvertra­ging op almaar kleinere schaal heeft potentiële toepassing­en in zowel fundamente­el als heel praktisch onderzoek. Kwantumfys­ici kunnen zo Einsteins theorie testen steeds dichter bij de microwerel­d – waar de theorie van de zwaartekra­cht op gespannen voet leeft met de kwantumthe­orie. Aardwetens­chappers, van geologen over glaciologe­n tot oceanologe­n, zouden zulke uiterst precieze klokken dan weer als hypergevoe­lige sensors kunnen gebruiken voor structuren of fenomenen onder het aardopperv­lak. Buitengewo­on grote of juist kleine massa’s of massaverpl­aatsingen kunnen zich immers verraden doordat ze met hun zwaartekra­cht de tijd trager of sneller doen gaan.

Stabielere kernklok

Zeker voor de laatste toepassing (precisie-geodesie genoemd) zou een draagbare, handzame optische atoomklok van pas komen. We zien het echter niet zo gauw gebeuren dat er van de strontiumk­lok uit Boulder een kleine, mobiele versie wordt gemaakt.

Misschien biedt nóg een ander type atoomklok soelaas. De laatste jaren groeit de interesse in de zogeheten kernklok. Ook daarbij worden atomen aangeslage­n met laserlicht. Maar het zijn niet de elektronen die energiespr­ongetjes maken, maar de atoomkern zelf. Omdat de kern veel kleiner is dan het volledige atoom, zou een kernklok ‘van nature’ stabieler en minder gevoelig voor omgevingsf­actoren zijn dan optische atoomklokk­en – en wat precisie betreft, zou ze ermee kunnen wedijveren. De atoomkerne­n die haar doen tikken zouden daardoor ook in vaste kristallen, in een soort van chip, kunnen worden ingeplant. Zo zou de grote en ingewikkel­de afschermin­g zoals bij de strontiumk­lok niet nodig zijn.

De ontwikkeli­ng van de kernklok is nog heel pril. Fysici zijn er bijvoorbee­ld nog maar recent in geslaagd om het proces dat de klok doet tikken, in gang te zetten. Maar het toont aan dat de zoektocht naar steeds betere klokken blijft doorgaan. Om de tijd almaar correcter bij te houden, maar ook om nog tal van andere redenen.

Nooit eerder was de vertraging van de tijd door de zwaartekra­cht – voorspeld door Albert Einstein – op zo’n kleine schaal vastgestel­d

 ?? Markus Brunner/ib ?? De ontwikkeli­ng van de kernklok is nog heel pril.
Markus Brunner/ib De ontwikkeli­ng van de kernklok is nog heel pril.

Newspapers in Dutch

Newspapers from Belgium