Draagbare atoomklok ontwikkeld: fout van 1 seconde in 300 miljoen jaar

Het Lebedev Instituut voor Natuurkunde van de Russische Academie van Wetenschappen demonstreerde de nauwkeurigste draagbare atoomklok.

Specialisten van het Lebedev Fysisch Instituut van de Russische Academie van Wetenschappen hebben onlangs een van de nauwkeurigste draagbare atoomklokken ter wereld gedemonstreerd, die werkt op atomen van het zeldzame aardmetaal thulium.

testbanner onder de titelafbeelding

Een atoomklok is een apparaat dat de perioden van de veranderende toestand van een atoom gebruikt als een "slinger". Dit apparaat is essentieel voor het bepalen van de positie van ruimtevaartuigen, vliegtuigen, onderzeeërs en auto's. Alle telecommunicatiebedrijven, inclusief mobiele telefooncentrales en tijdwaarnemingsdiensten, houden zich aan de atoomstandaard.

Sinds 1967 erkennen alle landen wereldwijd klokken met cesium-133 als standaardtijdmeter. Hun afwijking bedraagt 1x10 tot de macht min 16, wat overeenkomt met een afwijking van één seconde per 300 miljoen jaar (ter vergelijking: mechanische polshorloges hebben een afwijking van 20 seconden extra per dag).

De wetenschap staat echter niet stil en in veel landen zijn optische strontiumklokken ontwikkeld, in werking en staan ze te wachten om een tijdstandaard te worden. De nauwkeurigheid van deze klokken bedraagt al 10 tot de macht min 18, wat betekent dat een afwijking van één seconde van de exacte tijd pas na 30 miljard jaar mogelijk is!

Zowel cesium- als optische strontium-atoomklokken zijn echter grote, stationaire apparaten die moeilijk te verplaatsen zijn tijdens het meten van de tijd. Daarom streven wetenschappers wereldwijd ernaar om de afmetingen van atoomchronometers te minimaliseren.

Volgens het Lebedev Physical Institute (FIAN) is het laboratoriumpersoneel erin geslaagd de meest nauwkeurige draagbare klok te creëren op basis van atomen van het zeldzame aardmetaal thulium. Dit vormt de kern van hun "uurwerk", waarvan de fracties van een seconde worden gemeten aan de hand van de frequentie van de kwantumovergang van de elektronen van een atoom van het ene atoomenergieniveau naar het andere onder invloed van een laser. Ze hebben de nauwkeurigheid van cesiumklokken al overtroffen (10 tot de 16e macht van een seconde), maar in tegenstelling tot stationaire klokken zijn ze 2000 keer beter bestand tegen de externe elektromagnetische velden om ons heen.

Het compacte formaat van thuliumklokken, die minder dan een kubieke meter (de ruimte die een hurkende volwassene inneemt) meten, maakt atoomtijdmeters gemakkelijk te vervoeren. Tegenwoordig overtreffen ze hun Duitse en Amerikaanse tegenhangers.

Het instituut is al begonnen met experimenten met draagbare thuliumklokken. Volgens het laboratorium is de volgende stap het testen van Einsteins relativiteitstheorie, die een frequentieverschuiving veroorzaakt afhankelijk van de hoogte. Volgens de theorie meten klokken de tijd met verschillende snelheden, afhankelijk van hun hoogte. In de buurt van sterke zwaartekracht, zoals op aarde, vertragen ze, terwijl ze verder van de aarde versnellen.

Zoals Nikolai Kolachevsky, directeur van het Lebedev Physical Institute (FIAN), uitlegde, zouden draagbare, zeer nauwkeurige optische atoomklokken in de toekomst gebruikt kunnen worden om snelle datatransmissie te synchroniseren of de aanwezigheid van donkere materie te detecteren. "De verwachting is dat klokken op aarde, wanneer deze door een wolk van donkere materie gaat, een kleine afwijking kunnen vertonen", zegt Nikolai Kolachevsky. "In dat geval zullen thuliumklokken een afwijking vertonen." Bovendien zullen thuliumklokken de nauwkeurigheid van signaaloverdracht in grote navigatiesystemen (GLONASS) helpen verbeteren en quantumcomputers synchroniseren.