Atoomklok met ongekende precisie

Atoomklokken zijn het symbool van opperste precisie, maar die standaard is nu overtroffen. Amerikaanse fysici presenteren vandaag de optische atoomklok, die zijn voorganger met zeker een factor tien verslaat.

Een goede tijdsaanduiding is niet alleen handig voor mensen die niet graag te laat komen. De tijd speelt ook een grote rol in allerlei andere metingen. Daar konden zeevaarders uit voorbije eeuwen over meepraten: pas toen er een zeewaardige klok aan boord was, konden ze hun positie nauwkeurig bepalen. En het moderne GPS dankt zijn exacte plaatsbepalingen mede aan de atoomklokken.

Tegelijk met deze ontwikkeling is de definitie van de seconde aangescherpt. Tot 1967 was een tel gedefinieerd als het zoveelste deel van een jaar, maar sindsdien is de seconde de tijdsduur die vergaat in 9 192 631 770 trillingen van het licht dat een cesiumatoom afgeeft.

Dat leek de hoogste graad van nauwkeurigheid. Er was geen elektronisch ontwerp denkbaar dat in één seconde nog meer tellingen zou kunnen verwerken. Maar met dat dogma rekenen Amerikaanse fysici vandaag af in Science (13 juli): hun atoomklok heeft de teltaken verdeeld en kan daardoor in één seconde wel een miljoen keer tot een miljard tellen.

Aan het principe van een klok is niets meer veranderd sinds Christiaan Huygens in 1656 zijn slingeruurwerk bouwde. Er zit een onderdeel aan dat een beweging nauwkeurig herhaalt, en een onderdeel dat die bewegingen telt en omzet in een tijdsaanduiding. Bij Huygens waren dat de slinger en het raderwerk met de wijzers, in een kwartshorloge 'tikt' een kristal en vertelt elektronica hoe laat het is.

In een atoomklok komen de tikken van een generator van radiogolven. De elektronica is in essentie hetzelfde gebleven, maar er zit nog een derde element bij: een atoom legt de frequentie van die radiogolven exact vast. Atomen kunnen namelijk alleen de energieën van exact gedefinieerde frequenties opnemen en afgeven. Wie een bundel atomen door de radiogolven stuurt, kan zien wanneer die opname en afgifte plaatsvindt en wanneer dat gebeurt, is de radiofrequentie exact gelijk aan de atoomfrequentie. En aangezien cesium een bruikbare en exact bekende frequentie heeft, is dat de standaard geworden voor de atoomklok - en de seconde zelf.

Veel verbetering leek er niet meer in te zitten. Een fundamenteel hogere frequentie was niet te tellen. Toch wel, zeggen de Amerikanen, dankzij de uitvinding van een optische frequentiedeler. In het hart van hun atoomklok zit één kwikion gevangen dat gevoelig is voor een frequentie in het ultraviolette gebied (1 PHz, 10 tot de 15de Hertz). De frequentiedeler hakt dit hoogfrequente signaal in stukjes: van elke miljoen trillingen maakt hij één pulsje, waardoor de elektronica nog maar een miljard pulsjes per seconde hoeft te tellen.

Dat is te doen. En aangezien ook de andere elementen zeer stabiel zijn (zoals de laser die de ultraviolette golven moet opwekken), hebben de Amerikanen een optische atoomklok in handen van ongekende precisie. Ter illustratie: als deze klok bij het begin der tijden was begonnen te tikken - bij de oer knal, zo'n vijftien miljard jaar geleden - was hij nu minder dan één seconde afgeweken. Wie dat met de gewone atoomklok had gedaan, zou niet op een minuutje of wat moeten kijken.

Maar wat moet een mens met zoveel nauwkeurigheid? ,,Precisie is de droom van veel fysici'', zegt professor Jook Walraven, directeur van het Amolf-instituut in Amsterdam. ,,Sommigen onder ons vragen zich af of de natuurconstanten altijd hetzelfde zijn geweest. Alleen met zo'n nauwkeurige klok kun je dat nagaan.''