Thoriumklokken blijven achter bij atoomklokken

In Wenen en Beijing hebben teams de eerste klokken gebouwd die een laser afgestemd houden op een overgang in een atoomkern, met thorium-229 als referentie (Reuters). Daarmee is een idee waar fysici al lang aan werken omgezet in werkende laboratoriumapparatuur. NIST-fysicus Kyle Beloy zei tegen Chemical & Engineering News dat de prototypes qua nauwkeurigheid en stabiliteit nog meerdere ordes van grootte achterlopen op de beste optische atoomklokken (C&EN).

Fysici willen een nucleaire referentie omdat de kern op andere krachten reageert dan de elektronen waarop gewone atoomklokken zijn gebaseerd. Door beide soorten klokken te vergelijken, ontstaat een nieuwe manier om te toetsen of de natuurwetten volledig constant blijven.

Hoe een kristal een klok wordt

Beide teams schijnen ultraviolet laserlicht door kristallen met thorium-229 en zoeken naar een zwakke dip in het licht dat eruit komt (To Brief). Die dip verschijnt wanneer de laser precies de frequentie bereikt die de kernen absorberen. Fysici noemen dat punt een resonantie.

De dip één keer vinden is eenvoudig vergeleken met de laser erop afgestemd houden. Daarom meten de teams de absorptie net boven en net onder de gekozen frequentie. Staat de laser precies in het midden, dan absorberen beide kanten evenveel. Loopt de laser weg, dan absorbeert de ene kant meer dan de andere. Dat verschil vertelt een regelaar in welke richting de laser moet worden bijgesteld.

Stel je een bergtop in de mist voor. Je ziet de top niet, maar een stap naar links en een stap naar rechts laten zien welke kant de grond afloopt. Door die correctie steeds te herhalen, verandert een laser in een klok.

Drie manieren waarop een klok tekort kan schieten

Een personenweegschaal en een ijkgewicht helpen drie begrippen uit elkaar te houden. Stabiliteit geeft aan hoeveel de meting schommelt terwijl het gewicht op de weegschaal staat. Reproduceerbaarheid gaat over de vraag of de weegschaal morgen voor hetzelfde gewicht dezelfde waarde toont. Nauwkeurigheid geeft aan of die waarde overeenkomt met de werkelijke massa.

Voor stabiliteit gebruiken fysici een ‘instabiliteitscoëfficiënt’: die geeft aan hoeveel de tikfrequentie schommelt, gemiddeld over een bepaalde tijd. Lager is beter. Beijing rapporteerde 5 × 10⁻¹³ op basis van een meting van 3,8 uur (Beijing manuscript). De klok in Wenen liep een volle dag zonder toezicht en kwam uit op 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Ter vergelijking: een gepubliceerde aluminiumionenklok haalt ongeveer 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Elke stap in de exponent staat voor een factor tien verschil; dat is de achterstand waar Beloy op doelt. De twee teams met kernklokken gebruikten verschillende opstellingen en middelden hun metingen over verschillende perioden. Het lagere cijfer uit Beijing maakt die klok daarom niet zonder meer beter.

Deze cijfers zeggen alleen iets over schommelingen op korte termijn. Geen van beide teams heeft een volledige nauwkeurigheidsbegroting gepresenteerd: een overzicht van alle effecten die een klok van haar werkelijke frequentie kunnen afbrengen. De achterstand in nauwkeurigheid is daardoor nog niet in cijfers uit te drukken.

Een doel dat niet stil blijft staan

Ook de gemeten absorptiepiek is breed. De gekozen piek in Beijing was ongeveer 27 kilohertz breed (Physics World). Zo’n brede piek maakt het doel minder scherp: de regelaar kan het exacte midden moeilijker bepalen.

Een tweede probleem kwam in Wenen aan het licht. Het team richtte de laserstraal op vijf plekken in hetzelfde kristal en zag het resonantiemidden met maximaal ongeveer 1,7 kilohertz verschuiven. Willekeurige meetruis zou slechts ongeveer 0,13 kilohertz verklaren (Vienna manuscript). De schijnbare referentiefrequentie veranderde dus met de plek waar de straal het kristal raakte, zoals een weegschaal anders kan uitslaan afhankelijk van waar je het gewicht neerzet.

Het team heeft de oorzaak nog niet vastgesteld. Een laserstraal die telkens exact hetzelfde pad volgt, is een van de oplossingen die het voorstelt. Die variatie helpt verklaren waarom de frequenties in Wenen tussen verschillende dagen slechts tot ongeveer 5 × 10⁻¹³ overeenkwamen (Vienna Nature paper). Dat is minder precies dan een afzonderlijke meetronde doet vermoeden.

Wenen en Beijing hebben wel degelijk laten zien dat kernen in een kristal een laser kunnen aansturen en urenlang op frequentie kunnen houden, in Wenen zelfs een volle dag. De gemeten stabiliteit blijft ver achter bij die van de beste optische klokken en de nauwkeurigheid moet nog worden vastgesteld. De cesiumatoomklok bepaalt nog altijd de officiële seconde (BIPM). De volgende stap is concreet: metingen op verschillende dagen en met verschillende apparaten herhalen, alle systematische verschuivingen in kaart brengen en daarna de kernklokken langdurig naast optische klokken vergelijken.