Waarom bouwen wetenschappers een kernklok? Omdat Atomic Clocks niet perfect zijn

De taak om een ​​klok te maken die nauwkeurig de tijd bijhoudt, is totaal anders dan bij uurwerk. Normale klokken helpen ons redelijk goed voor de dagelijkse praktische behoeften, maar wetenschappelijk onderzoek en technologie op basis van gevoelige metingen vereisen klokken die het verstrijken van de tijd uiterst nauwkeurig kunnen meten. Zo hebben wetenschappers atoomklokken uitgevonden - en hoewel ze nauwkeuriger zijn in het bijhouden van tijd dan conventionele systemen, bleef er nog veel ruimte voor verbetering. Nu gaan wetenschappers van de atoomwereld naar de nucleaire wereld. Een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur laat zien dat Duitse natuurkundigen een uurwerk hebben ontwikkeld dat in staat is om elke 20 miljard jaar minder dan een tiende van een seconde te verliezen. Dat is - afhankelijk van hoe je het bekijkt - tien keer beter dan de huidige atomaire technologieën

Maar voordat we atomaire klokken overbodig maken, laten we eens kijken wat hen onderscheidt van de slingerende voorouders.

Elke klok gebruikt een resonator om de tijd bij te houden. Een resonator is een mechanisme dat, omwille van de vereenvoudiging, regelmatig "tikt". Oude klokken gebruikten een slinger en schakelingen als resonator. Digitale klokken gebruiken de oscillaties op de voedingslijn of van een kwartskristal als de resonator. Een atoomklok neemt dit idee een paar stappen naar voren door resonantiefrequenties van atomen zelf als resonator te gebruiken. In dit systeem wordt de resonator geregeld door de elektromagnetische straling die wordt uitgezonden door de quantum-overgang van een atoom. Met andere woorden, een atoomklok houdt de tijd bij door de energetische veranderingen in een atoomdeeltje te meten.

Voor sommige elementen en hun isotopen gebeurt dit op consistente frequenties. Cesium-133 oscilleert bijvoorbeeld precies 9,192,631,770 cycli per seconde. Dat is waarom het werd gebruikt om de eerste atoomklok te bouwen in het National Physical Laboratory in het Verenigd Koninkrijk, in 1955.

Sindsdien hebben een aantal technologische ontwikkelingen geleid tot nauwkeuriger atoomklokken - inclusief laserkoeling en het invangen van atomen, preciezere laserspectroscopie en het uitzoeken van andere isotoopelementen die zelfs consistentere resonantiefrequenties vertonen. De huidige recordhouder voor de nauwkeurigste atoomklokbasiswaarden voor ytterbiumionen.

De reden waarom atoomklokken zo kritisch zijn, heeft te maken met het feit dat klokken de tijd op verschillende hoogtes anders meten. Hoe verder een klok van de hoofdbron van zwaartekracht komt, hoe sneller de tijd verstrijkt (dat wil zeggen dat een klok sneller zal draaien op de Mount Everest dan op zeeniveau). Het verschil is schijnbaar te verwaarlozen, maar kan toenemen naarmate er meer tijd verstrijkt.

Zoveel van onze technologie werkt tegenwoordig als wereldwijde toepassingen, zoals GPS. Om ervoor te zorgen dat ze op hetzelfde moment draaien, ongeacht waar iemand is, moeten ze direct aan een nauwkeurige klok worden gekoppeld. Er is geen betere manier om dat te garanderen dan om atoomklokken standaard te gebruiken. In de laatste studie schetst het Duitse onderzoeksteam een ​​idee om de oscillaties van de atoomkern van het element zelf (in tegenstelling tot de elektronen rond de kern) direct te meten. Een atoomklok op basis van dit ontwerp kan voorkomen dat deze wordt beïnvloed door externe krachten. Het onderzoeksteam identificeert een excitatietoestand in de isotoop van thorium, Th-229m, die zou kunnen werken - en illustreert experimentele bevindingen die dit idee ondersteunen.

Er is slechts één probleem: Th-229m komt niet van nature voor. Hoewel de resultaten van de nieuwe studie desalniettemin indrukwekkend zijn, is het onduidelijk hoe onderzoekers precies genoeg Th-229m kunnen oogsten om een ​​nucleaire klok te bouwen en te onderhouden. De onderzoekers hebben in dit geval Th-229m afgeleid door uranium-233 als bron te gebruiken. Het is geen gemakkelijk proces.

Als wetenschappers erachter komen hoe ze dat kleine probleem kunnen oplossen en een duurzaam bedrag van Th-229m kunnen genereren, kijken we naar een nieuwe generatie atoomklokken die ongetwijfeld een belangrijke rol zullen spelen naarmate we meer en meer technologie bouwen die de hele wereld overspant en dient mensen in alle uithoeken van de wereld.