Een nieuw soort atoomklok is nauwkeuriger dan alle tot nu toe gebouwde, met de mogelijkheid om duizend keer de levensduur van het universum soepel te tikken. De nieuwe zogenaamde kwantumgasklok is niet alleen de beste tijdwaarnemer tot nu toe, maar biedt misschien ooit inzicht in nieuwe fysica.
Onderzoekers van JILA (voorheen ook wel het Joint Institute for Laboratory Astrophysics genoemd) gebruikten een combinatie van strontiumatomen en een reeks laserstralen om een klok te creëren die zo nauwkeurig is dat hij mogelijk de interactie van zwaartekracht op kleinere schaal kan meten dan ooit tevoren . Door dit te doen, zou het licht kunnen werpen op de aard van zijn relatie met andere fundamentele krachten, een mysterie dat natuurkundigen al tientallen jaren in de war brengt.
Atoomklokken meten de tijd door de trillingen van atomen te gebruiken als een zeer nauwkeurige metronoom. De huidige atoomklokken zijn met tientallen seconden uitgeschakeld gedurende tientallen miljarden jaren. Deze nieuwste iteratie blijft precies genoeg zodat deze binnen ongeveer 90 miljard jaar met slechts 1 seconde wordt uitgeschakeld.
Om dat soort precisie te krijgen, koelde het team strontiumatomen om te voorkomen dat ze bewegen en tegen elkaar botsen - iets dat hun trillingen kan afwerpen. Ten eerste raken ze de atomen met lasers. Wanneer ze door de fotonen in de lasers werden geraakt, absorbeerden de atomen hun energie en zonden ze opnieuw een foton uit, waardoor ze kinetische energie verloren en kouder werden. Maar dat koelde hen niet genoeg. Dus om ze nog kouder te maken, vertrouwde het team op koeling door verdamping, waardoor sommige van de strontiumatomen konden verdampen en nog meer energie konden accepteren. Ze bleven tussen 10.000 en 100.000 atomen, bij een temperatuur van slechts 10 tot 60 miljardste van een graad boven het absolute nulpunt, of minus 459 graden Fahrenheit (minus 273 graden Celsius).
De koude atomen werden gevangen door een 3D-opstelling van lasers. De balken zijn opgesteld om elkaar te storen. Terwijl ze dat deden, creëerden ze regio's met lage en hoge potentiële energie, potentiële bronnen genoemd. De putten werken als gestapelde eierdozen en elk bevat een strontiumatoom.
De atomen werden zo koud dat ze geen interactie meer met elkaar hadden - in tegenstelling tot een normaal gas, waarin atomen willekeurig rondrennen en tegen hun medemensen stuiteren, blijven zulke gekoelde atomen vrij stil. Ze beginnen zich dan te gedragen op een manier die minder op een gas lijkt en meer op een vaste stof, ook al is de afstand tussen hen veel groter dan die in vast strontium.
"Vanuit dat oogpunt is het een zeer interessant materiaal; het heeft nu eigenschappen alsof het een vaste toestand is", vertelde projectleider Jun Ye, natuurkundige bij het National Institute of Standards and Technology, aan WordsSideKick.com. (JILA wordt gezamenlijk beheerd door de NIST en de Universiteit van Colorado in Boulder.)
Op dit punt was de klok klaar om de tijd bij te houden: de onderzoekers sloegen de atomen met een laser, waardoor een van de elektronen in de baan van de strontiumkern werd opgewonden. Omdat elektronen worden beheerst door de wetten van de kwantummechanica, kan men niet zeggen in welk energieniveau het elektron zich bevindt als het eenmaal is opgewekt, en kan hij alleen zeggen dat het waarschijnlijk is dat het zich in een of ander bevindt. Om het elektron te meten, schoten ze na 10 seconden nog een laser op het atoom. Die laser meet waar het elektron zich rond de kern bevindt, aangezien een foton van de laser opnieuw wordt uitgezonden door het atoom - en hoe vaak het in die periode (de 10 seconden) oscilleerde.
Het gemiddelde van deze meting over duizenden atomen is wat deze atoomklok zijn precisie geeft, net zoals het gemiddelde van de beats van duizenden identieke slingers een preciezer idee zal geven van wat de periode van die slinger zou moeten zijn.
Tot nu toe hadden atoomklokken slechts enkele 'strings' van atomen in tegenstelling tot een 3D-rooster, dus ze konden niet zoveel metingen doen als deze, zei Ye.
'Het is alsof je horloges vergelijkt,' zei Ye. 'Met die analogie start de laserpuls op de atomen een coherente oscillatie. Tien seconden later zetten we de puls weer aan en vragen we het elektron:' Waar ben je? '' Die meting wordt gemiddeld over duizenden atomen.
Het is moeilijk om elektronen in die tussenliggende toestand te houden, zei Ye, en dat is nog een reden waarom de atomen zo koud moeten zijn, dat de elektronen niet per ongeluk iets anders raken.
De klok kan in feite seconden meten tot 1 deel in biljoenen. Deze vaardigheid maakt meer dan een echt goede tijdwaarnemer; het kan helpen bij het zoeken naar verschijnselen zoals donkere materie, zei Ye. Je zou bijvoorbeeld een experiment in de ruimte kunnen opzetten met zo'n nauwkeurige timer om te zien of atomen zich anders gedragen dan wat conventionele theorieën voorspellen.
De studie is gedetailleerd in het nummer van 6 oktober van het tijdschrift Science.
