Thoriumkernen sturen klokken, kristallen verstoren ze

Voor het eerst wordt de frequentie van een laser vastgehouden met behulp van de kern van een atoom, in plaats van de elektronen eromheen. Teams in Wenen en Beijing bouwden zulke klokken; hun resultaten verschenen op 7 oktober in Nature (Reuters). De thoriumkern fungeert daarbij voortdurend als referentie voor de laser, wat natuurkundigen een nieuw meetinstrument geeft. Kleine frequentieverschuivingen door de kristallen waarin het thorium vastzit, maken de klok voorlopig nog ongeschikt voor betrouwbare tijdmeting.

Elke klok combineert een ritme met een correctie. Een slinger beweegt heen en weer; een klokkenmaker stelt hem bij zodra hij gaat afwijken. Bij een atoomklok neemt de natuurkunde dat bijstellen over: een laser wordt voortdurend vergeleken met een overgang, een sprong tussen twee energietoestanden waarbij licht met een kenmerkende frequentie wordt geabsorbeerd. Die frequentie is zeer constant, al kan de omgeving van het atoom haar iets verschuiven.

Bij conventionele atoomklokken maakt een elektron die sprong. Thorium-229 is bijzonder: in zijn kern zit een overgang die ultraviolet laserlicht kan bereiken, terwijl voor de meeste kernovergangen veel energierijkere straling nodig is. Kernen zijn bovendien zeer klein. Daardoor hebben ze in principe minder last van ongewenste elektrische en magnetische velden dan de elektronenwolken eromheen (Physics World).

Hoe de kern het stuur overneemt

Beide teams verwerkten thorium-229 in kleine calciumfluoridekristallen en stuurden er een smalle bundel ultraviolet laserlicht doorheen. Bij precies de juiste frequentie absorberen de kernen iets meer licht. Het regelsysteem stemt de laser af op weerszijden van die absorptiepiek, bepaalt aan welke kant de frequentie zit en stuurt haar terug naar het midden (Vienna Nature paper, Chinese Nature paper).

Een systeem dat een auto binnen de rijstrook houdt, werkt vergelijkbaar. Een camera ziet waar de belijning ligt; het systeem stuurt kleine correcties om de auto ertussen te houden. In de klok levert het absorptiesignaal het beeld van de camera en stuurt de laserregelaar bij.

Die terugkoppeling is de nieuwe stap. In 2024 hadden experimenten de overgang al met laserlicht aangeslagen (Physical Review Letters). Het signaal werd toen vaak afgelezen aan de trage nagloed van aangeslagen kernen. Die komt veel te laat om de laser voortdurend bij te sturen. Een radiozender vinden is iets anders dan erop afgestemd blijven; directe absorptie is snel genoeg voor dat tweede.

De twee groepen bereikten dit onafhankelijk van elkaar. TU Wien omschrijft zijn apparaat als een zelfstabiliserende kernklok (TU Wien); het Chinese onderzoek stond onder leiding van Tsinghua University (Tsinghua). Twee onafhankelijke apparaten die hetzelfde principe gebruiken, vormen een sterkere aanwijzing dan één.

Stabiel, maar nog niet op tijd

Klokkenonderzoekers beoordelen twee verschillende eigenschappen. Stabiliteit geeft aan hoe gelijkmatig een klok van moment tot moment tikt. Op dat punt halen beide prototypes de gevestigde optische atoomklokken nog niet. Nauwkeurigheid zegt of een klok ongemerkt op de verkeerde frequentie loopt, zoals een horloge dat heel gelijkmatig tikt maar vijf minuten voorloopt.

Bij die nauwkeurigheid zit het probleem in het kristal. Elke thoriumkern bevindt zich in een eigen stukje kristal. Plaatselijke spanning of defecten kunnen de kenmerkende frequentie verschuiven, waardoor de meting kan afhangen van de plek waar de laser door het kristal gaat. Het team in Beijing vond wel een bemoedigend teken: twee afzonderlijk gegroeide kristallen leverden vrijwel dezelfde frequentie op (Chinese Nature paper). Geen van beide teams heeft alle effecten die de frequentie kunnen vertekenen al volledig in kaart gebracht.

Luisteren naar donkere materie

Ook als onvolmaakte klok is het apparaat al bruikbaar voor natuurkundigen. Volgens sommige theorieën kan donkere materie, de onzichtbare materie die het grootste deel van de massa van het heelal vormt, met een zacht, regelmatig effect trekken aan de natuurkrachten die deze frequenties bepalen. Een kernklok en een klok die op elektronen is gebaseerd, zouden dat effect verschillend voelen. De verhouding tussen hun tikken zou daardoor in een vast ritme veranderen.

Wenen liet de thoriumklok naast een conventionele atoomklok lopen en zocht naar precies zo’n ritme. De onderzoekers vonden het niet. Volgens de auteurs sluit dat enkele specifieke modellen van donkere materie uit, maar donkere materie als geheel niet (Vienna Nature paper).

De officiële definitie van de seconde is nog altijd gebaseerd op cesiumatomen (BIPM); deze prototypes zullen daar voorlopig niets aan veranderen. Wel laten ze zien dat een kern een lopende klok kan bijsturen. Betrouwbare tijdmeting hangt nu af van kristallen die het thorium vasthouden zonder de frequentie te verschuiven. Juist de kristalgroepen in Wenen en Beijing kunnen dat probleem aanpakken.