Voor het eerst hebben onderzoekers werkende nucleaire klokken gebouwd die tikken met de energie van de kern van een atoom, niet met zijn elektronen. Twee onafhankelijke teams, één in de Verenigde Staten en één in Oostenrijk, hebben deze langverwachte tijdmeters onthuld. Ze beloven een precisie die uiteindelijk tien keer of meer beter kan zijn dan de beste atoomklokken ter wereld.
Een klok die het hart van een atoom gebruikt
Atoomklokken, de huidige gouden standaard, meten tijd door de trillingen van elektronen te tellen terwijl ze tussen energieniveaus springen. Nucleaire klokken doen iets soortgelijks, maar gebruiken de kern zelf. De kern is veel minder gevoelig voor externe verstoringen zoals magnetische velden of temperatuurveranderingen. Die stabiliteit kan nucleaire klokken buitengewoon nauwkeurig maken. Het belangrijkste ingrediënt is een zeldzame isotoop van thorium, thorium 229, die een unieke lage energietoestand heeft die met een laser kan worden geactiveerd.
Twee teams, twee benaderingen, één doorbraak
Onderzoekers van het Joint Institute for Laboratory Astrophysics in Boulder, Colorado, bouwden een versie. Ze plaatsten thoriumatomen in een kristal van calciumfluoride en gebruikten een speciale ultraviolette laser om de kernen te exciteren. Een aparte groep aan de Technische Universiteit Wenen in Oostenrijk koos een andere weg. Ze vingen individuele thoriumionen in een elektrisch veld en beschoten ze met laserlicht. Beide teams slaagden erin de kernen te laten tikken, wat een meetbaar signaal opleverde dat kan worden gebruikt om de tijd bij te houden. De resultaten werden gepubliceerd in Nature.
Waarom dit verder gaat dan betere klokken
Voor natuurkundigen gaan nucleaire klokken niet alleen om nauwkeuriger de tijd aangeven. Ze kunnen krachtige hulpmiddelen worden om fundamentele theorieën te testen. Omdat de kern zo geïsoleerd is van zijn omgeving, kan elke kleine verandering in het tikritme nieuwe krachten of deeltjes onthullen waar de standaard natuurkunde geen rekening mee houdt. Sommige onderzoekers hopen dat nucleaire klokken variaties in de fundamentele natuurconstanten kunnen detecteren, iets dat de fundamenten van de moderne natuurkunde zou doen schudden. De technologie staat nog in de kinderschoenen, maar de eerste tikken zijn gehoord.
Een nieuw tijdperk van tijdmeting begint
De komst van werkende nucleaire klokken is een echte mijlpaal in de experimentele natuurkunde. Decennialang bestond het idee alleen op papier. Nu is het echt. De klokken zijn nog niet klaar om atoomtijdstandaarden te vervangen, maar ze hebben de drempel van theorie naar praktijk overschreden. Dat alleen al is een belangrijke prestatie. Wat deze klokken over het universum zullen onthullen, moet nog blijken, maar het tikken is begonnen.
