Om de timingnauwkeurigheid verder te verbeteren, werkten onderzoekers uit zes Europese landen samen om tien ultra-precieze optische klokken tegelijkertijd te vergelijken - dit is nog nooit eerder op een dergelijke schaal gedaan. Deze optische klokken gebruiken laserlicht om de overgangen van atomen tussen energieniveaus te meten, veel nauwkeuriger dan traditionele cesium-atoomklokken. In feite kunnen optische klokken over miljarden jaren niet meer dan een seconde afwijken.
Om de consistentie tussen deze klokken te controleren, heeft het team 38 metingen gedaan, een zogenaamde frequentieverhouding. Vier van de metingen zijn nooit rechtstreeks uitgevoerd en vele zijn nauwkeuriger dan ooit tevoren. Dit experiment helpt ons dichter bij het actualiseren van de werelddefinitie van een seconde te komen, misschien door over te schakelen van cesiumklokken naar optische klokken.
Helen Margolis van het Britse National Physical Laboratory zei: "Atoomklokken leveren nauwkeurige tijd- en frequentiesignalen die essentieel zijn voor veel alledaagse technologieën zoals GPS, het beheer van het elektriciteitsnet en het gesynchroniseerd houden van financiële transacties."
Het verbinden van deze klokken over lange afstanden is lastig. De wetenschappers gebruikten twee verbindingsmethoden: satelliet-gps-signalen en op maat gemaakte glasvezelkabels. Alle klokken kunnen GPS gebruiken, maar de nauwkeurigheid ervan is niet ideaal vanwege ruis- en signaalproblemen. De glasvezelverbindingen die in Frankrijk, Duitsland en Italië worden gebruikt, zijn honderd keer nauwkeuriger, maar kunnen slechts korte afstanden overbruggen. Voor klokken in hetzelfde laboratorium, zoals die in Duitsland en Groot-Brittannië, helpen korte glasvezelkabels de onzekerheid verder te verminderen.
De bevindingen werden gepubliceerd in Optica, een tijdschrift gewijd aan optische wetenschap. Het onderzoeksteam vergeleek ook verschillen in verschillende frequentieverhoudingen in verschillende systemen om eventuele mismatches of patronen te vinden.
"Deze metingen leveren belangrijke informatie op over het verdere werk dat nodig is om optische klokken de precisie en betrouwbaarheid te laten bereiken die nodig zijn voor internationale tijdwaarneming", zegt Marco Pizzocaro van het Italiaanse Nationale Instituut voor Atoomenergie (INRiM). Hij voegde eraan toe dat het apparaat een soort gedistribueerd laboratorium is dat kan worden gebruikt voor dieper natuurkundig onderzoek, zoals de zoektocht naar donkere materie of het testen van de fundamenten van de natuurkunde.
Het coördineren en synchroon laten lopen van alle tien klokken in zes landen vergde veel voorbereiding. Sommige resultaten kwamen niet overeen met de voorspellingen, maar het feit dat er zoveel klokken tegelijk liepen, hielp problemen op te sporen.
"Niet alle resultaten waren wat we hadden verwacht, en we constateerden enkele inconsistenties in onze metingen", zegt Rachel Godun van NPL. "Door zoveel klokken tegelijkertijd te vergelijken en meerdere technieken te gebruiken om de klokken met elkaar te correleren, wordt het echter gemakkelijker om de oorzaak van het probleem te identificeren."
De onderzoekers zeggen dat er meer werk nodig is om de meetonzekerheden te verminderen en ervoor te zorgen dat deze optische klokken op de lange termijn betrouwbaar zijn. Als dit mogelijk is, kunnen deze klokken binnenkort de klokken worden die we gebruiken om de tijd over de hele wereld te definiëren. Zoals Thomas Lindvall van VTT MIKES in Finland zei: “Met een geharmoniseerde reeks meetmethoden kunnen we zowel de consistentie controleren als betrouwbaardere resultaten leveren.”
Bron: Optica (Link 1, Link 2)