Dit is hoe atoomklokken werken, de meest nauwkeurige klokken van allemaal
Instrumenten die ons helpen om het verstrijken van de tijd te markeren en te tellen zijn klokken, maar atoomklokken hebben ongetwijfeld een extra voordeel: laten we eens kijken wat het zijn en hoe deze krachtige apparaten werken.
Hoe werken atoomklokken?
Svdmolen/Wikimedia commons - Public Domain
Polshorloges en klokken helpen ons te weten hoe laat het is en punctueel te zijn, maar atoomklokken zijn onovertroffen: het zijn in feite de nauwkeurigste tijdwaarnemingsinstrumenten die ooit zijn gemaakt. Hun foutmarge is slechts ongeveer één seconde over een periode van honderd miljoen jaar: deze apparaten zijn ontworpen om de exacte duur van één seconde te schatten. Sinds 1967 is één seconde volgens het SI (Internationaal Stelsel van Eenheden) de tijd die een cesium-122-atoom nodig heeft om 9 miljard, 192 miljoen, 631 duizend en 770 keer te oscilleren. Maar hoe werken atoomklokken precies?
In deze machines werken de trillingen van de atomen als de slinger van een klassieke klok, maar met een veel grotere precisie. Hoewel er verschillende soorten atoomklokken bestaan, is hun werking min of meer hetzelfde: atomen worden oververhit in een oven en op een balk geplaatst. Elk van hen heeft twee energietoestanden, hyperfijne niveaus genoemd, en een magnetisch veld zorgt ervoor dat alle “B”-atomen worden geëlimineerd, zodat alleen de “A”-atomen overblijven. Op dat moment gaan de atomen met de A-status door een resonator en ondergaan microgolfstraling, waardoor ze veranderen in de B-status. Een tweede magnetisch veld verwijdert de overgebleven atomen met een A-status, terwijl een detector het aantal atomen berekent dat een B-status is geworden, wat afhangt van de frequentie van de radiateur. Het doel is om de frequentie van de microgolven te synchroniseren met de oscillatie van de atomen.
Atoomklokken, geschiedenis en soorten
National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain
De precisie van deze apparaten is voortdurend verbeterd en honderden atoomklokken over de hele wereld ondersteunen de berekening van TAI, de Internationale Atoomtijd. Hun timing vormt nu de basis van talloze technologieën, waaronder GPS-satellieten, computers en telecommunicatie. Voortdurend onderzoek door organisaties als NIST en JILA leidt echter tot voortdurende verbeteringen. De atoomklok is een uitvinding van NIST uit 1949, maar kreeg pas twee decennia later voet aan de grond in de technologie.
Ondertussen hebben wetenschappers van het NIST atoomklokken van de toekomstige generatie ontworpen met verschillende atomen, waaronder kwik, aluminium, calcium, ytterbium en strontium, die allemaal verschillende voordelen kunnen bieden en mogelijk de weg vrijmaken voor nieuwe technologieën. Hun steeds verbazingwekkender nauwkeurigheid zou niet alleen kunnen worden toegepast op tijd, maar ook op het meten van zwaartekracht, temperatuur, magnetische velden en nog veel meer. Tot een paar jaar geleden was het precisierecord in handen van een experimentele klok gebaseerd op een enkel kwikion, gevolgd door aluminiumionen en apparaten gebaseerd op koude neutrale atomen in optische roosters, waarvan NIST en JILA de leiders zijn. Dit type bevat duizenden atomen van zware metalen in een rooster dat bestaat uit elkaar kruisende laserstralen. NIST heeft ook de calcium atoomklok ontwikkeld, die zeer stabiel is gebleken, zij het voor korte perioden, maar vooral draagbaar, waardoor hij commercieel aantrekkelijk is geworden.
Strontium atoomklok, de nauwkeurigste ooit
National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain
De belangrijkste vereiste voor een atoomklok is volgens de onderzoekers stabiliteit, dat wil zeggen de precisie waarmee de duur van elke tik van de klok identiek is aan alle andere. Hoe stabieler een klok is, hoe sneller deze correspondentie kan worden berekend. Op dit moment is de grootste vooruitgang in dit opzicht geboekt met de aanpassing van een strontium atoomklok, die recordniveaus van zowel precisie als stabiliteit heeft bereikt: dit apparaat is in staat om geen seconde te verliezen gedurende vijftien miljard jaar, wat ruwweg overeenkomt met de leeftijd van het universum. De ongelooflijke tijdmeting kan een exponentiële impact hebben op geavanceerde technologieën en kan ook worden toegepast op de werking van een gevoelige hoogtemeter om veranderingen in de zwaartekracht te detecteren en op andere experimenten die verder gaan dan het meten van tijd. De nauwkeurigheid van de experimentele strontium roosterklok van JILA, een gezamenlijk instituut van NIST en de Universiteit van Colorado Boulder, werd binnen een jaar verdrievoudigd. De stabiliteit daarentegen is met 50% toegenomen. Het vermogen is nu zodanig dat het veranderingen in het verstrijken van tijd en zwaartekracht kan meten op licht verschillende hoogtes: zoals Einstein theoretiseerde, neemt de snelheid van het tikken van klokken toe op grotere hoogtes.
In deze verbazingwekkende klok zijn enkele duizenden strontiumatomen ingesloten in een kolom van 30 x 30 micrometer met ongeveer vierhonderd gebieden die bestaan uit het optische rooster van laserlicht. De laatste aanpassing corrigeerde fouten die te maken hadden met straling van het zwarte lichaam, oftewel de omgevingswarmte, die de reactie van de atomen op laserlicht veranderde. Om het probleem op te lossen, plaatsten de wetenschappers twee platina weerstandsthermometers in de vacuümkamer van de klok en bouwden ze een stralingsschild om de atoomkamer te beschermen, waardoor de klok bij kamertemperatuur kan werken en niet cryogeen. Toekomstige ontwikkelingen zouden ertoe kunnen leiden dat deze klokken berekeningen maken die verder gaan dan tijd en steeds nauwkeurigere en krachtigere instrumenten worden, die zelfs in staat zijn om getijden te vervangen bij geomagnetisch onderzoek.