Een internationaal team van onderzoekers heeft een beslissende stap gezet in de richting van een nieuwe generatie nauwkeurigere atoomklokken. Bij de Europese XFEL-röntgenlaser hebben onderzoekers op basis van het element scandium een ​​nauwkeurigere pulsgenerator gemaakt die over 300 miljard jaar tot op één seconde nauwkeurig kan zijn, wat ongeveer duizend keer nauwkeuriger is dan de huidige standaard op cesium gebaseerde atoomklok. Het team presenteerde zijn resultaten op 27 september in het tijdschrift Nature.

Artistieke weergave van een scandium-kernklok: Wetenschappers gebruikten röntgenpulsen van de Europese XFEL om een ​​proces in de scandiumkern te stimuleren dat een kloksignaal genereert met een ongekende nauwkeurigheid van één seconde in 300 miljard jaar. Bron: Europees XFEL/Helmholtz Instituut Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger

Huidige atoomklokmechanismen

Atoomklokken zijn momenteel de meest nauwkeurige tijdwaarnemers ter wereld. Deze klokken gebruiken elektronen in atomaire lagen van chemische elementen, zoals cesium, als pulsgeneratoren om de tijd te definiëren. Deze elektronen kunnen worden gestimuleerd tot hogere energieniveaus met behulp van microgolven met bekende frequenties. Daarbij absorberen ze microgolfstraling.

De atoomklok zendt microgolven uit bij cesiumatomen en past de frequentie van de straling aan om de absorptie van de microgolven te maximaliseren; experts noemen dit resonantie. De kwartsoscillatoren die microgolven genereren, kunnen worden gestabiliseerd met behulp van resonantie, waardoor cesiumklokken gedurende 300 miljoen jaar tot op één seconde nauwkeurig kunnen zijn.

Cruciaal voor de nauwkeurigheid van een atoomklok is de breedte van de gebruikte resonantie. De huidige cesium-atoomklokken maken al gebruik van zeer smalle resonanties; strontium-atoomklokken zijn zelfs nog nauwkeuriger, met een nauwkeurigheid van slechts één seconde per 15 miljard jaar. Verdere verbeteringen zijn vrijwel onmogelijk te bereiken met deze elektronische excitatiemethode. Daarom werken teams over de hele wereld al jaren aan het concept van ‘nucleaire’ klokken, die overgangen in atoomkernen gebruiken als pulsgeneratoren, in plaats van overgangen in atoomschillen. Kernresonanties zijn veel gewelddadiger dan de resonanties van elektronen in atoomschillen, maar ze zijn ook moeilijker te exciteren.

Doorbraak gebracht door scandium

Bij de Europese XFEL kan het team nu veelbelovende transformaties in de kernen van het element scandium inspireren, dat gemakkelijk verkrijgbaar is in de vorm van hoogzuivere metaalfolies of de verbinding scandiumdioxide. Deze resonantie vereist röntgenstraling met een energie van 12,4 keV (ongeveer 10.000 keer de energie van zichtbaar licht) en een breedte van slechts 1,4 femto-elektronvolt (feV). Dit is 1,4 biljoenste van een elektronvolt, ongeveer een tiende van de excitatie-energie (10-19). Dit maakt een nauwkeurigheid van 1:10.000.000.000.000 mogelijk.

"Dit komt overeen met één seconde in 300 miljard jaar", zegt DESY-onderzoeker Ralf Röhlsberger, die werkt aan het Helmholtz Instituut in Jena, een gezamenlijke instelling van het GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research, het Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR) en het Helmholtz Zentrum. .

Toepassingen en toekomstig potentieel

Atoomklokken hebben veel toepassingen die profiteren van een grotere nauwkeurigheid, zoals nauwkeurige positionering met behulp van satellietnavigatie. “Het wetenschappelijke potentieel van scandiumresonantie werd meer dan dertig jaar geleden ontdekt”, meldde Yuri Shvyd’ko, de projectleider van het experiment en het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten. "Tot nu toe is echter geen enkele röntgenbron in staat geweest licht helder genoeg uit te zenden binnen de smalle 1,4feV-lijn van scandium", zegt Anders Madsen, hoofdwetenschapper van het Europese XFELMID-experimenteel station waar het experiment werd uitgevoerd. "Alleen röntgenlasers zoals de Europese XFEL hebben deze situatie veranderd."

In dit baanbrekende experiment belichtte het team een ​​0,025 mm dikke scandiumfolie met een röntgenlaser en kon het karakteristieke nagloeien detecteren dat werd uitgezonden door aangeslagen kernen, een duidelijk bewijs van de extreem smalle resonantielijnen van scandium.

Ook belangrijk voor de constructie van atoomklokken is een nauwkeurige kennis van de resonantie-energie, dat wil zeggen de energie van de röntgenlaserstraling waarbij de resonantie optreedt. Dankzij geavanceerde extreme ruisonderdrukking en kristaloptiek met hoge resolutie kon de scandiumresonantie-energiewaarde in het experiment worden bepaald tot op vijf decimalen bij 12,38959 keV, wat 250 keer nauwkeuriger is dan voorheen.

Jörg Evers, hoofd data-analyse bij het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, benadrukt: "De nauwkeurige bepaling van de transitie-energie betekent een grote vooruitgang. Een nauwkeurige kennis van deze energie is cruciaal voor de realisatie van op scandium gebaseerde atoomklokken."

De onderzoekers onderzoeken nu verdere stappen in de richting van het realiseren van een dergelijke nucleaire klok. Shvyd’ko legt uit: “Doorbraken in de excitatie van scandiumresonantie en nauwkeurige meting van de energie ervan openen nieuwe wegen, niet alleen voor nucleaire klokken, maar ook voor ultrahoge precisie-spectroscopie en nauwkeurige meting van fundamentele fysieke effecten.”

Olga Kocharovskaya van de Texas A&M University, VS, de initiatiefnemer en leider van het door de National Science Foundation gefinancierde project, voegde hieraan toe: "Een dergelijke hoge nauwkeurigheid zou bijvoorbeeld de detectie van zwaartekrachttijddilatatie op submillimeterafstanden mogelijk kunnen maken. Dit zou helpen bij het bestuderen van relativistische effecten op tot nu toe onhaalbare lengteschalen."