De atoomklok is er in vele varianten. Sommige zijn elektronica ter grootte van een chip, ontwikkeld voor het leger, maar nu commercieel verkrijgbaar, terwijl grotere en nauwkeurigere atoomklokken de tijd bijhouden op GPS-satellieten. Maar alle atoomklokken werken op hetzelfde principe. Zuivere atomen - sommige klokken gebruiken cesium, anderen gebruiken elementen zoals rubidium - hebben een bepaald aantal valentie-elektronen of elektronen in de buitenste schil van elk atoom. Wanneer de atomen worden geraakt met een specifieke frequentie van elektromagnetische straling (bijvoorbeeld lichtgolven of microgolven), veranderen de valentie-elektronen tussen twee energietoestanden.
In de jaren zestig keerden wetenschappers zich af van het meten van tijd op basis van de banen en rotaties van hemellichamen en begonnen deze klokken te gebruiken op basis van de principes van de kwantummechanica. Het lijkt misschien een vreemde manier om de tijd te meten, maar de duur van een specifiek aantal oscillaties of 'tikken' in een golf van elektromagnetische straling is de officiële methode waarmee wetenschappers de tweede definiëren. In het bijzonder is een seconde de duur van 9.192.631.770 oscillaties van een microgolflaser die ervoor zorgt dat cesiumatomen overgaan.
Maar we hebben zelfs betere atoomklokken dan degenen die cesium meten.
"Als onze twee ytterbiumklokken aan het begin van het universum waren gestart, zouden ze op dit moment minder dan een seconde met elkaar oneens zijn", zegt William McGrew, een fysicus bij het National Institute of Standards and Technology (NIST ), in een e-mail.
NIST's ultrastabiele atoomklok van het ytterbiumrooster. Ytterbium-atomen worden gegenereerd in een oven (grote metalen cilinder links) en naar een vacuümkamer in het midden van de foto gestuurd om te worden gemanipuleerd en door lasers te worden onderzocht. Laserlicht wordt door vijf vezels naar de klok getransporteerd (zoals de gele vezel onderaan in het midden van de foto). (James Burrus / NIST) De ytterbiumklokken op NIST, Yb-1 en Yb-2 zijn een uniek type atoomklok die bekend staat als een optische roosterklok. In wezen gebruiken de klokken elektromagnetische straling in de optische frequentie, of lasers, om duizenden ytterbiumatomen op te vangen en vervolgens hun externe elektronen te laten overgaan tussen een toestand van grondenergie en een toestand van geëxciteerde energie. In vergelijking met cesium is een hogere frequentie van elektromagnetische straling vereist om ytterbium over te zetten.
Alle elektromagnetische golven, van radiogolven tot gammastralen, en al het zichtbare licht daartussen, zijn hetzelfde type golven dat bestaat uit fotonen - het verschil is gewoon dat golven met hogere frequenties sneller oscilleren. Microgolven, die worden gebruikt om cesium over te zetten, worden uitgerekt in langere golflengten en lagere frequenties dan zichtbaar licht. Het gebruik van atomen die overgaan op hogere frequenties is de sleutel tot het bouwen van een betere klok. Terwijl een seconde momenteel ongeveer 9 miljard oscillaties van een magnetron is, zou dezelfde tijdsduur worden vertegenwoordigd door dichter bij 500 biljoen oscillaties van een golf van zichtbaar licht, waardoor het vermogen van wetenschappers om de tijd nauwkeurig te meten wordt verbeterd.
Als de meetlaser op een ytterbiumklok op exact de juiste frequentie wordt ingesteld, springen de ytterbiumatomen op naar de opgewonden energietoestand. Dit gebeurt wanneer de laser een frequentie heeft van exact 518.295.836.590.863, 6 Hertz - het aantal "tikken" in één seconde.
"Dit komt overeen met een golflengte van 578 nanometer, die geel lijkt voor het oog, " zegt McGrew.
Nieuwe metingen met Yb-1 en Yb-2, geleid door het team van McGrew bij NIST, hebben nieuwe records behaald op drie belangrijke gebieden van meetprecisie en produceren in sommige opzichten de beste metingen van de tweede ooit bereikt. De klokken zetten met name nieuwe records in voor systematische onzekerheid, stabiliteit en reproduceerbaarheid. De nieuwe metingen worden gedetailleerd beschreven in een artikel dat vandaag in Nature is gepubliceerd .
De ytterbium optische klokken zijn in deze aspecten nog preciezer dan de cesiumfonteinklokken die worden gebruikt om de definitie van een seconde te bepalen. De ytterbiumklokken zijn technisch niet nauwkeuriger dan de cesiumklokken, omdat nauwkeurigheid specifiek is hoe dicht een meting bij de officiële definitie ligt en niets nauwkeuriger kan zijn dan de cesiumklokken waarop de definitie is gebaseerd. Desondanks is de belangrijkste metriek hier systematische onzekerheid - een maat voor hoe nauwkeurig de klok de ware, ongestoorde, natuurlijke oscillatie van de ytterbiumatomen realiseert (de exacte frequentie waardoor ze overgaan).
De nieuwe metingen komen overeen met de natuurlijke frequentie binnen een fout van 1, 4 delen in 10 18, of ongeveer een miljardste van een miljardste. De cesiumklokken hebben slechts een systematische onzekerheid van ongeveer één deel op 10 16 bereikt . Dus vergeleken met de cesiumklokken, zouden de nieuwe ytterbium-metingen "100 keer beter zijn", zegt Andrew Ludlow, een fysicus van NIST en co-auteur van het artikel.
De uitdaging bij dit soort metingen is het omgaan met externe factoren die de natuurlijke frequentie van de ytterbiumatomen kunnen beïnvloeden - en omdat dit enkele van de meest gevoelige metingen zijn die ooit zijn bereikt, is elk fysiek effect van het universum een factor. "Bijna alles waar we nu willekeurig aan kunnen denken, heeft uiteindelijk enig effect op de oscillatiefrequentie van het atoom, " zegt Ludlow.
De externe effecten die de natuurlijke frequentie van de klokken verschuiven, zijn blackbody-straling, zwaartekracht, elektrische velden en lichte botsingen van de atomen. “We besteden veel van onze tijd om zorgvuldig door te gaan en… precies alle effecten te begrijpen die relevant zijn voor het verknoeien van de tikkende snelheid van de klok - die overgangsfrequentie - en gaan in en metingen doen van die op de werkelijke atomen om ze te karakteriseren en ons te helpen erachter te komen hoe goed we deze effecten echt kunnen beheersen en meten. ”
Om de effecten van deze natuurlijke fysische factoren te verminderen, worden de ytterbiumatomen, die van nature in sommige mineralen voorkomen, eerst verwarmd tot een gasvormige toestand. Vervolgens wordt laserkoeling gebruikt om de temperatuur van de atomen te verlagen van honderden graden Kelvin tot een paar duizendsten van een graad, en vervolgens verder afgekoeld tot temperaturen van ongeveer 10 microkelvin, of 10 miljoensten van een graad boven absoluut nul. De atomen worden vervolgens geladen in een vacuümkamer en een thermische afschermingsomgeving. De meetlaser wordt door de atomen gestraald en op zichzelf teruggekaatst, waardoor het 'rooster' ontstaat dat de atomen vasthoudt in delen met hoge energie van een staande lichtgolf, in plaats van een lopende golf, zoals een typische laserpointer.
Het verbeteren van de "stabiliteit" en "reproduceerbaarheid" van de metingen, waar de ytterbiumklokken ook nieuwe records voor vestigen, helpt om rekening te houden met eventuele externe krachten die de klokken beïnvloeden. De stabiliteit van de klokken is in wezen een maat voor hoeveel de frequentie verandert in de tijd, die is gemeten voor Yb-1 en Yb-2 bij 3, 2 delen in 1019 in de loop van een dag. Reproduceerbaarheid is een maat voor hoe dicht de twee klokken bij elkaar passen, en door 10 vergelijkingen is vastgesteld dat het frequentieverschil tussen Yb-1 en Yb-2 kleiner is dan een miljardste van een miljardste.
"Het is cruciaal om twee klokken te hebben", zegt McGrew. “Onzekerheid wordt gekenmerkt door het onderzoeken van elke verschuiving die de overgangsfrequentie zou kunnen veranderen. Er is echter altijd de mogelijkheid van 'onbekende onbekenden', verschuivingen die nog niet zijn begrepen. Door twee systemen te hebben, is het mogelijk om je karakterisering van onzekerheid te controleren door te kijken of de twee onafhankelijke systemen met elkaar overeenkomen. "
Zulke precisie bij het meten van tijd wordt al door wetenschappers gebruikt, maar de praktische toepassingen van verbeterde metingen van de tweede omvatten vooruitgang in navigatie en communicatie. Hoewel niemand het destijds had kunnen weten, zou het vroege werk met atoomklokken in het midden van de 20e eeuw uiteindelijk het Global Positioning System en elke industrie en technologie die erop vertrouwt mogelijk maken.
"Ik denk niet dat ik volledig zou kunnen voorspellen welke toepassingen in 20 of 50 jaar hier het meeste baat bij zullen hebben, maar ik kan zeggen dat als ik terugkijk in de geschiedenis, niet op een aantal van de meest ingrijpende gevolgen van atoomklokken werd verwacht, "Zegt Ludlow.
De gele lasers van een van NIST's ytterbium optische roosterklokken. (Nate Phillips / NIST) De ytterbiumklokken kunnen ook worden gebruikt in geavanceerd fysisch onderzoek, zoals zwaartekrachtveldmodellering en de mogelijke detectie van donkere materie of zwaartekrachtsgolven. In wezen zijn de klokken zo gevoelig dat elke interferentie door veranderende zwaartekracht of andere fysieke krachten kan worden gedetecteerd. Als je meerdere ytterbiumklokken over de hele wereld hebt geplaatst, kun je de minieme zwaartekrachtsveranderingen meten (die sterker is, zowel dichter bij de zeespiegel als dichter bij de polen), waardoor wetenschappers de vorm van het zwaartekrachtveld van de aarde met meer precisie dan ooit kunnen meten voor. Op dezelfde manier kon een interactie met donkere materiedeeltjes, of zelfs mogelijk zwaartekrachtsgolven die twee ver uit elkaar staande klokken beïnvloeden, worden gedetecteerd.
“Wetenschappelijk gebruiken we deze verbazingwekkende precisie vandaag al voor sommige van deze fundamentele fysica-onderzoeken - op zoek naar donkere materie, op zoek naar variatie van de fundamentele constanten, op zoek naar schendingen in sommige van Einsteins theorieën en andere dingen. ... Als we ooit schendingen [van de natuurwetten] ontdekken met behulp van deze ongelooflijke meetinstrumenten, kan dat een enorme spelwisselaar zijn in ons begrip van het universum en daarom hoe wetenschap en technologie van daaruit verder zullen evolueren. "
In de komende 10 jaar of zo, is het mogelijk dat de meetwetenschappelijke instellingen van de wereld zullen besluiten om de tweede opnieuw te definiëren op basis van een optische klok in plaats van een cesiumklok. Een dergelijke herdefinitie is waarschijnlijk onvermijdelijk, omdat optische lasers op veel hogere frequenties werken dan magnetrons, waardoor het aantal "tikken" van de klok in een seconde toeneemt. Een ytterbium-klokmeting zou een goede kandidaat zijn voor een nieuwe definitie, maar optische roosterklokken met kwik en strontium hebben ook veelbelovende resultaten opgeleverd, en optische ionklokken, die een enkel atoom suspenderen en overbrengen, bieden een andere intrigerende mogelijkheid voor een nieuwe definitie.
Deze metingen van atomaire fenomenen worden steeds preciezer en waar ons evoluerend begrip van tijd ons zal brengen, is het onmogelijk om te weten.
