Weense kernklok loopt, maar wankelt

Op 7 oktober 2026 maakten twee teams in Nature bekend dat ze klokken hebben gebouwd die tijdens het lopen zijn afgestemd op de atoomkern (Weens onderzoek, onderzoek uit Beijing). Het prototype uit Wenen bleef meer dan 24 uur lopen zonder dat iemand eraan hoefde te komen (volledige tekst uit Wenen, Pro-Physik). Toch zijn beide klokken veel minder stabiel dan de beste atoomklokken. Ze bieden wel een nieuw soort referentie, waarmee onderzoekers kunnen nagaan of de natuurconstanten veranderen.

Stel je een zangeres voor die een toon aanhoudt naast een stemvork. Zodra haar stem afwijkt, hoort ze het verschil en corrigeert ze. Optische atoomklokken werken volgens hetzelfde principe. Een laser houdt het ritme aan; de overgang tussen twee energieniveaus van elektronen in een atoom fungeert als stemvork.

Bij thorium-229 zit die stemvork in de atoomkern. Onder invloed van ultraviolet licht met een golflengte van ongeveer 148 nanometer kan de kern tussen twee toestanden springen (bericht van PTB). Beide teams verwerkten thorium in kristallen van calciumfluoride, een doorzichtig materiaal dat de atomen op hun plaats houdt. Staat de laser precies op de juiste frequentie, dan absorberen de kernen een klein deel van het licht dat door het kristal valt.

Die minuscule afname van het licht geeft de klok zijn signaal. Elektronica laat de laserfrequentie telkens een klein beetje op en neer gaan. Een detector meet aan welke kant het licht sterker afneemt; zo weet de regelaar welke kant de laser op moet om terug te keren naar de juiste frequentie. Net als de zangeres hoort de detector of de toon te hoog of te laag zit.

In 2024 lieten onderzoekers zien dat een laser deze kernsprong überhaupt kon opwekken (onderzoek naar de excitatie uit 2024). De nieuwe stap, waarover we woensdag schreven (To Brief), is een regelkring die onafgebroken werkt. Zolang de klok loopt, houdt de kern de laser afgestemd.

Twee laboratoria, twee manieren om de laser stabiel te houden

In Wenen verdelen de onderzoekers het werk. Een optische holte, gevormd door twee tegenover elkaar geplaatste spiegels, vangt licht op en dempt snelle schommelingen. Zo blijft de laser van moment tot moment stabiel. Het signaal van thorium corrigeert vervolgens de langzame afwijking die de holte zelf niet kan opvangen (TU Wien). TU Wien kweekte het kristal. Het Duitse metrologische instituut PTB bouwde de ultravioletlaser samen met het Berlijnse Max Born Institute (onderzoeksgroep van PTB).

Het team in Beijing, onder leiding van Tsinghua University (Tsinghua), rapporteerde een lagere instabiliteitscoëfficiënt dan het Weense team. Die coëfficiënt geeft aan hoeveel de tiksnelheid van een klok schommelt over korte meetperioden; lager is beter. Voor Beijing kwam de waarde uit op 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), tegenover 3 × 10⁻¹² in Wenen (volledige tekst uit Wenen).

Het team in Beijing vergeleek ook twee afzonderlijk gekweekte kristallen. Hun frequenties verschilden relatief slechts 2,8 × 10⁻¹³ (onderzoek uit Beijing). Twee stemvorken uit verschillende werkplaatsen gaven dus vrijwel dezelfde toon. Dat is een eerste aanwijzing dat de nucleaire referentie reproduceerbaar is.

Nog ver achter op atoomklokken

Vergeleken met de beste klokken op basis van elektronen schommelen beide prototypes veel sterker. De aluminiumionklok van NIST is zo stabiel dat de instabiliteit in Wenen ongeveer 8.600 keer groter is en die in Beijing ongeveer 1.400 keer (NIST, onderzoek naar de aluminiumionklok van NIST).

In Wenen stuitten de onderzoekers ook op een hardnekkig materiaalprobleem. Als ze het pad van de laserbundel door het kristal verlegden, verschoof de gemeten frequentie met maximaal ongeveer 1,7 kilohertz. Meetruis kan dat verschil niet verklaren; waarschijnlijk spelen spanningen en onvolkomenheden in het kristal mee (volledige tekst uit Wenen). Onderzoekers moeten nog nagaan of beter gekweekte kristallen en nauwkeuriger sturing van de laserbundel die verschuiving kleiner maken.

Waarom doorgaan met een klok die zoveel minder stabiel is? Twee klokken die op verschillende natuurkundige principes berusten, kunnen samen als detector werken. Wenen draaide de kernklok naast een ytterbiumionklok bij het Oostenrijkse metrologische instituut BEV. Die diende alleen als vergelijkingsmaatstaf en maakte geen deel uit van de terugkoppeling. Volgens het team zou een verandering in de natuurconstanten de nucleaire overgang anders beïnvloeden dan klokken die op elektronen zijn gebaseerd (onderzoek uit Wenen).

Sommige modellen van donkere materie voorspellen precies zo’n verandering, als een langzaam terugkerende schommeling. Het Weense team zocht bij de vergelijking van de klokken naar zulke signalen, maar vond niets dat de detectiedrempel overschreed. De meting stelt grenzen aan de sterkte van het effect; ze toont het niet aan.

De officiële seconde is nog altijd gedefinieerd aan de hand van cesiumatomen. Daar verandert met deze prototypes niets aan (BIPM). Wenen heeft laten zien dat een atoomkern een laser langer dan een etmaal afgestemd kan houden; Beijing dat twee kristallen vrijwel dezelfde frequentie kunnen leveren. Om daarvan een nauwkeuriger meetinstrument voor natuurwetten te maken, moeten kristalkwekers en laserbouwers de nucleaire overgang in elk nieuw kristal dezelfde toon laten houden.