Wetenschappers snijden de tijd in ongekende details. Onlangs hebben twee internationale onderzoeksteams in het laboratorium een ​​nieuwe ‘nucleaire klok’ gebouwd, die de hoogfrequente trillingen van de thorium-229-atoomkern gebruikt om de tijd te meten. Het wordt beschouwd als een belangrijke mijlpaal in de tijdmeettechnologie.

Van tellen en het observeren van de slingerbeweging tot het gebruik van de piëzo-elektrische trillingen die worden geproduceerd door kwartskristallen onder invloed van een elektrisch veld: mensen hebben een verscheidenheid aan tijdwaarnemingsmethoden uitgevonden, en hun nauwkeurigheid wordt voortdurend verbeterd. Al meer dan zeventig jaar zijn atoomklokken de ‘gouden standaard’ voor tijdmeting, waarbij ze vertrouwen op de frequentie van overgangen van cesiumatoomelektronen tussen verschillende banen.

Elektronen zijn echter niet het enige onderdeel van een atoom dat regelmatig trilt. De atoomkern zelf zal ook soortgelijke ‘oscillaties’ ondergaan tussen verschillende energieniveaus, en de oscillaties komen overeen met hogere energie en een snellere frequentie, wat betekent dat er meer ‘tikken’ in de tijdseenheid kunnen worden gepropt, waardoor theoretisch een hogere tijdresolutie wordt geboden dan traditionele atoomklokken.

Al in 2003 realiseerden onderzoekers zich dat de hypothetische ‘nucleaire transitie’-frequentie van een bepaalde thoriumisotoop binnen het bereik zou kunnen vallen dat de moderne lasertechnologie kan bestrijken, waardoor het mogelijk wordt om opgewonden te raken en gebruikt te worden voor tijdwaarneming. Daarna besteedden ze dertien jaar aan het eindelijk observeren van dit fenomeen in experimenten, en nog eens twaalf jaar aan het verder nauwkeurig meten van de specifieke golflengte van het vereiste ultraviolette licht, waardoor belangrijke parameters werden voorbereid voor het bouwen van een echt bruikbare 'nucleaire klok'.

De echte moeilijkheid doet zich voor op het niveau van de technische implementatie: om dit soort diep ultraviolet licht, dat gemakkelijk door gassen wordt geabsorbeerd, in de atmosfeer door te laten, is het noodzakelijk om een ​​solide omgeving te vinden die zowel de thorium-229-kern stevig kan binden als de lichtbestraling kan vergemakkelijken. In de laatste twee experimentele werken kozen een team onder leiding van Luca Toscani de Cole, een onderzoeker aan het Vienna Center for Quantum Science and Technology, en een team onder leiding van Huang Beichen, een natuurkundige aan de Tsinghua Universiteit, er beiden voor om thorium-229-kernen in te kapselen in calciumfluoridekristallen, waarmee ze met succes deze technologische drempel overschrijden.

Om de resterende experimentele uitdagingen te overwinnen, hanteerden de twee teams verschillende strategieën: het team van Huang Beichen verbeterde de excitatie-efficiëntie door het vermogen van de ultraviolette laser te vergroten, terwijl het team van Toscani de Cole ervoor koos om de concentratie van de thorium-229-isotoop in het kristal te verhogen om de signaalintensiteit te verhogen. Beide routes leidden uiteindelijk tot operationele prototypes van nucleaire klokken, die realistisch bewijs leverden dat oscillatie van het kernenergieniveau een praktisch timingapparaat werd.

Op dit moment kan de meest geavanceerde ionen-atoomklok van de mensheid de tijdnauwkeurigheid naar 19 decimalen brengen, wat betekent dat op de schaal van de ouderdom van het universum hun cumulatieve fouten nog steeds extreem klein zijn. Theoretisch onderzoek toont aan dat nucleaire klokken die gebaseerd zijn op de nucleaire transitie van thorium-229 naar verwachting een stap verder zullen gaan dan dit niveau en de tijd op meer gedetailleerde manieren zullen verdelen.

Hoe fijner de tijdsfragmenten, hoe waarschijnlijker het is dat wetenschappers extreem zwakke effecten zullen detecteren, zoals de subtiele effecten die zwaartekracht en versnelling uitoefenen op het weefsel van de ruimte-tijd. Klokken met ultrahoge precisie zijn niet alleen een krachtig hulpmiddel voor het verifiëren van theorieën zoals de algemene relativiteitstheorie, maar bieden ook nieuwe hulpmiddelen voor het opsporen van mogelijke fouten in het standaardmodel op extreem kleine schaal.

Om de prestaties van het nieuwe apparaat te testen, gebruikte het Toscani de Cole-team ook de nucleaire klok om te zoeken naar tekenen van donkere materie met een lage massa, in de hoop aanwijzingen te vinden over de interactie tussen donkere materie en gewone materie door abnormaal kleine veranderingen in de tijdsfrequentie. Als dergelijke experimenten succesvol zijn, wordt verwacht dat ze belangrijke aanwijzingen zullen opleveren om de ongeveer 85% van de massacomponenten in het universum te verklaren die nog niet direct zijn gedetecteerd.

Momenteel worden beide resultaten gepubliceerd op het arXiv-platform in de vorm van preprints, en worden de experimentele details en gegevens bekendgemaakt. Het is te voorzien dat, naarmate verwante technologieën zich verder ontwikkelen, nucleaire klokken nieuwe toepassingsruimten zullen openen op het gebied van fundamenteel natuurkundig onderzoek, navigatiesystemen, metingen van het zwaartekrachtveld van de aarde en zelfs uiterst nauwkeurige communicatie, waardoor een nieuwe ‘ultieme stopwatch’ wordt toegevoegd aan het vermogen van de mens om de tijd te begrijpen.

Vergeleken met het tellen van seconden in "Mississippi", brengen deze klokken van de nieuwe generatie, die atoomkernen gebruiken als "oscillerende wijzers", ons duidelijk een stap dichter bij een perfecte timing.