Een onderzoeksteam van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft onlangs 's werelds meest nauwkeurige klok gebouwd. De nieuwe optische atoomklok wordt aangedreven door één enkel aluminiumion in de kern en maakt extreem nauwkeurige tijdmetingen mogelijk, met een fractionele frequentieonzekerheid van slechts 5,5 x 10⁻¹⁹, wat betekent dat het één seconde sneller of langzamer duurt dan de leeftijd van het universum. Tegelijkertijd bereikt de fractionele frequentiestabiliteit van de klok 3,5 × 10⁻¹⁶/√τ seconden, wat 2,6 keer hoger is dan bij andere huidige ionenklokken.

(L-R) Mason Marshall, David Hume, Willa Arthur-Dvorak en Daniel Rodriguez-Castillo staan ​​voor de aluminiumionen-atoomklok van het National Institute of Standards and Technology. Na recente verbeteringen zal de atoomklok niet alleen de weg vrijmaken voor het herdefiniëren van de tweede, maar ook nieuwe verkenningen in de natuurkunde mogelijk maken.

Optische atoomklokken worden beoordeeld op nauwkeurigheid (hoe dicht ze bij de "echte" tijd liggen) en stabiliteit (consistentie van metingen). Het behalen van dit record is te danken aan het twintig jaar durende onderzoek, de ontwikkeling en de optimalisatie van de laser, de ionenval en de vacuümholte van de atoomklok met aluminiumionen. "Het is opwindend om betrokken te zijn bij de ontwikkeling van de meest nauwkeurige klokken", zegt NIST-onderzoeker Mason Marshall, eerste auteur van het artikel.

De klok is gebaseerd op kwantumlogische spectroscopiemetingen van een enkel ²⁷Al⁺-ion, met een ²⁵Mg⁺-ion erin opgesloten om te helpen bij "homomorfe koeling" en het lezen van de toestand van het aluminiumion. Het "kloppen" van aluminium is uiterst stabiel en heeft minimale invloed op temperatuur en magnetisch veld. Het is zeer geschikt voor tijdmeting, maar laserbesturing is moeilijk. Magnesiumionen zijn gemakkelijker te controleren, dus worden ze gebruikt om de koeling te bevorderen en stellen onderzoekers in staat indirect het signaal van aluminiumionen te lezen.

Belangrijke innovaties van het onderzoeksteam zijn onder meer het verlengen van de Rabi-detectietijd tot 1 seconde, wat wordt bereikt door op stabiele wijze laserlicht uit een ultrakoude siliciumholte op afstand van het JILA-laboratorium naar het NIST-teamlaboratorium (3,6 kilometer verderop) te zenden. Deze technologie vermindert de klokinstabiliteit met ongeveer een derde in vergelijking met eerdere aluminium-ionklokken.

Natuurkundige David Hume van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een onlangs aangepaste ionenval voor een aluminiumionenklok in zijn handen. Door de val aan te passen kunnen aluminiumionen en hun magnesiumionenpartnerdeeltjes ongestoord blijven wegtikken.

Daarnaast heeft het team ook een nieuw ontwerp van de ionenval gemaakt om overtollige microbewegingen te verminderen (dergelijke kleine onverwachte bewegingen hebben invloed op de timingnauwkeurigheid); ze selecteerden dikkere diamantwafels en pasten de metalen coating van de elektroden aan om de onbalans in het elektrische veld te corrigeren. De vacuümkamer is ook geüpgraded naar een titaniumlegering en de hoeveelheid achtergrondwaterstof is 150 keer verminderd, waardoor de "vasthoudtijd" van ionen in het apparaat aanzienlijk wordt verlengd en de botsingsfout van waterstofmoleculen wordt verminderd.

Het team voerde ook gevoeligheidsmetingen uit van de richting van het magnetische AC-veld in de radiofrequentieval, waardoor de onzekerheid werd geëlimineerd die werd veroorzaakt door de oriëntatie van het magnetische veld.

Een nieuwe, verbeterde ionenval voor de aluminiumionenklok van het National Institute of Standards and Technology (NIST). Inzet toont een CCD-afbeelding van een aluminium-magnesiumionenpaar. De cirkel markeert de locatie van het aluminiumion - dit ion is donker voor de camera omdat het alleen kan worden uitgelezen via kwantumlogische spectroscopie via magnesiumionen.

Dankzij verschillende innovaties kan de klok in ongeveer 36 uur een nauwkeurigheid van 19 decimalen bereiken, in plaats van drie weken in het verleden. NIST-afgestudeerde student Willa Arthur-Dworschack zei: "Met dit platform zullen we nieuwe structuren van multi-ionklokken en zelfs verstrengelde ionen onderzoeken om de meetmogelijkheden verder te verbeteren."

Verwacht wordt dat deze doorbraak de lengte van de ‘tweede’ met hogere precisie zal herdefiniëren en nieuwe perspectieven zal openen op het gebied van de aardwetenschappen en de fundamentele natuurkunde, inclusief fundamentele wetenschappelijke vragen zoals het verifiëren of de constanten van de natuur werkelijk constant zijn.