Nieuwe atoomklok nog nauwkeuriger

State-of-the-art atoomklokken (*) - 's werelds meest precieze tijdwaarnemers - gebruiken lasers om de trillingen van atomen te meten die plaatsvindt met een constante frequentie. Deze klokken zijn zo nauwkeurig dat als ze al sinds de oerknal zouden hebben gewerkt, ze niet meer dan een halve seconde zouden afwijken.

En toch, dankzij een nieuwe techniek, staan ​​atoomklokken op het punt om nog nauwkeuriger te worden, waardoor wetenschappers mogelijk verschijnselen zoals donkere materie kunnen detecteren, het effect van de zwaartekracht op de tijd kunnen bepalen en uitzoeken of de tijd zelf verandert naarmate het universum verandert.

Bij de foto: Nieuwe en verbeterde atoomklokken die kwantumverstrengeling gebruiken, kunnen wetenschappers helpen bij het beantwoorden van enkele fundamentele vragen over de aard van de werkelijkheid. Bron: halfrain via flickr.com, CC BY-SA 2.0

In het tijdschrift Nature hebben onderzoekers van MIT een nieuw soort atoomklok ontwikkeld die atomen meet die kwantumverstrikt zijn geraakt. Hierdoor kan de klok de trillingen van atomen met een ongeëvenaarde precisie meten.

"Optische atoomklokken met verstrengeling kunnen in één seconde een betere precisie bereiken dan de huidige geavanceerde optische klokken", aldus hoofdauteur Edwin Pedrozo-Peñafiel.

De ideale manier om tijd te meten zou zijn om de oscillaties van een enkel atoom te volgen, maar op die schaal zal een atoom "bezwijken" voor de regels van de kwantummechanica. Dit betekent dat het gedrag te vergelijken valt met een opgegooid muntstuk. De kans op kop of munt kan je maar bepalen door het muntstuk herhaaldelijk op te gooien en het gemiddelde te nemen van de resultaten.

Om dit probleem op te lossen, heeft het onderzoeksteam ongeveer 350 ytterbium-atomen verstrengeld, in de hoop dat hun individuele oscillaties zich zouden vestigen in een gemeenschappelijke frequentie. Gezien het feit dat ytterbium-atomen 100.000 keer vaker in één seconde oscilleren dan cesium-atomen (de huidige standaard voor atoomklokken), zullen wetenschappers nu veel kleinere tijdsintervallen kunnen meten.

Met behulp van standaardtechnieken koelden de onderzoekers de atomen af ​​en hielden ze vast in een optische holte die werd gevormd door twee spiegels. Vervolgens stuurden ze een laserstraal door de holte, die fungeert als een communicatieverbinding tussen atomen door tegen de spiegels te weerkaatsen en er duizenden keren interactie mee te hebben.

Toen de atomen eenmaal verstrengeld waren, gebruikte het team een ​​andere laser om hun gemiddelde frequentie te meten. De nieuwe opstelling kon de gewenste precisie vier keer sneller bereiken dan gewone atoomklokken, wat cruciaal is voor het meten van verschillende soorten verschijnselen en het zoeken naar antwoorden op fundamentele vragen over het universum.

'Verandert de lichtsnelheid naarmate het universum ouder wordt? Verandert de lading van het elektron? Dat is wat je kunt onderzoeken met nauwkeurigere atoomklokken ', zei co-auteur Vladan Vuletic.

Auteur: Jan Vyvey:
Bron: news.mit.edu

(*) Een atoomklok is een klok die als basis voor zijn tijdmeting gebruikmaakt van de trillingen van atomen. De frequentie van deze trillingen is zodanig constant en onafhankelijk van de omgeving, dat de afwijking van een atoomklok veelal slechts ongeveer 1 seconde per 5 miljard jaar bedraagt (anders gezegd: de onnauwkeurigheid bedraagt 6 × 10−18).

De meest gebruikte atoomklok is gebaseerd op het scheikundig element cesium. Dat is niet verwonderlijk, want de seconde is gedefinieerd aan de hand van dit element. Sommige atoomklokken gebruiken andere elementen, zoals rubidium of waterstof.

Atoomklokken hebben een groot toepassingsdomein waar nauwkeurige tijdmetingen belangrijk zijn zoals GPS- en gsm-netwerken en het Internet in het algemeen.

Bron: Wikipedia