De nauwkeurigste klokken ter wereld worden nog beter: die lopen na 14 miljard jaar 1 seconde uit de pas

Boven de deur naar het Amsterdamse atoomklokkenlab brandt een lamp met de tekst ‘Laser on’. Lasers zijn waarschijnlijk niet het eerste waaraan je denkt bij een klok, maar ze vormen een cruciaal onderdeel van ’s werelds nauwkeurigste uurwerken: optische atoomklokken. Die zijn zo precies dat ze op de leeftijd van het heelal slechts een seconde uit de pas lopen. In het Amsterdamse lab proberen natuurkundigen deze superklokken niet alleen verder te verbeteren, ze willen de uurwerken ook op de markt brengen, zodat bedrijven en overheidsinstellingen gebruik kunnen maken van extreem nauwkeurige tijdswaarnemingen.

Eenmaal in het lab is er weinig dat aan een klok doet denken. Er staan kasten vol elektronica en tafels met daarop een wirwar van kabeltjes, buizen, laserapparatuur, lenzen en spiegeltjes. De meeste tafels zijn afgeschermd met lappen zwart plastic. „Deze gordijnen moeten jullie dicht laten”, zeggen een paar langslopende onderzoekers, wijzend op de afgeschermde tafel rechts van ons. „Daar staat een krachtige laser aan die je huid zou kunnen verbranden.” Ik doe verschrikt een stap naar achteren terwijl de onderzoekers lachend verder lopen.

Het is geen flauwe grap, sommige van deze lasers zijn echt sterk genoeg om je huid te beschadigen, of je ogen, als je er per ongeluk in kijkt, vertelt hoogleraar Florian Schreck, die dit lab aan de Universiteit van Amsterdam leidt. De – niet allemaal even gevaarlijke – lasers zijn nodig om wolkjes atomen af te koelen, aan te sturen en uit te lezen. Deze atomen vormen het hart van een optische atoomklok.

De klokken waaraan Schreck werkt zijn nauwkeurig tot ongeveer achttien cijfers achter de komma. Als je twee van deze klokken tijdens de oerknal gelijkgezet zou hebben dan zouden ze nu, bijna 14 miljard jaar later, hooguit een seconde uit elkaar lopen. Die precisie heb je nodig bij bepaalde natuurkundige experimenten. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein voorspelt bijvoorbeeld dat klokken dicht bij het aardoppervlak langzamer tikken dan klokken die hoger staan, omdat ze iets sterkere zwaartekrachteffecten ondervinden. Er bestaan klokken die zo nauwkeurig zijn dat je er Einsteins theorie mee kunt testen.

Gps-satellieten

Deze superklokken zou je ook kunnen gebruiken voor landmetingen, bijvoorbeeld om bodemveranderingen in kaart te brengen, vertelt Jeroen Koelemeij, universitair docent aan de Vrije Universiteit Amsterdam. „Je zou bodemdaling of -stijging in bijvoorbeeld Zuid-Limburg kunnen bepalen door daar zo’n klok neer te zetten en het tikken daarvan te vergelijken met eenzelfde klok die je dicht bij het landmeet-referentiepunt in Amsterdam plaatst. Dat zou nauwkeuriger zijn dan de huidige landmeettechnieken.”

Er zijn meer alledaagse toepassingen voor extreem nauwkeurige klokken. Gps-satellieten hebben bijvoorbeeld atoomklokken aan boord. Koelemeij: „Die gebruiken ze om precies te vertellen hoe laat ze een bepaald signaal naar de aarde sturen. Aan de hand van die informatie kan je navigatiesysteem berekenen hoe lang het signaal erover gedaan heeft om je te bereiken en dus hoe ver weg je bent van de satelliet.” Door dat trucje met meerdere gps-satellieten uit te halen, bepaalt het systeem je locatie op aarde.

Voor die plaatsbepaling heb je uiterst precieze klokken nodig. Kwartsklokken, die gebruikt worden in sommige horloges en wandklokken, zijn niet goed genoeg. Zelfs in de meest ideale omstandigheden lopen deze klokken namelijk na een jaar ruim een seconde uit de pas. Als je zo’n klok in een gps-satelliet stopt, dan zit je plaatsbepaling er na een dag al ruim 250 kilometer naast. Gps-navigatie is dus mogelijk dankzij de nauwkeurigheid van atoomklokken.

Dankzij de atoomklokken aan boord kunnen de radiosignalen van gps ook als uiterst nauwkeurige radioklok worden gebruikt. Banken maken hiervan dankbaar gebruik. Het precieze tijdstip van financiële transacties is namelijk belangrijk. Koelemeij: „Je wilt niet dat iemand iets kan bezitten voordat een ander het verkocht heeft.”

Voor nog betere klokken heb je atomen nodig. Die zijn niet door mensen gemaakt, maar door de natuurFlorian Schreck hoogleraar

Hoe bouw je zo’n extreem nauwkeurige klok? „Om een klok te laten tikken heb je iets nodig met een vaste frequentie”, vertelt Schreck. „Een paar honderd jaar geleden gebruikten we daar slingers voor, die met een vast ritme heen en weer bewegen.” Later kwamen de kwartskristallen die met een vaste regelmaat trillen. Deze uurwerken zijn prima als je een trein wilt halen, maar voor nauwkeurige toepassingen schieten ze tekort. Bovendien is het onmogelijk om twee identieke kwartsklokken of slingeruurwerken te maken die met exact dezelfde frequentie tikken. Je krijgt twee slingers nooit exact even lang. „Dat probleem heb je met bijna alle door mensen gemaakte objecten”, zegt Schreck. „Daarom heb je voor nog betere klokken atomen nodig. Die zijn niet door mensen gemaakt, maar door de natuur.”

Foto’s: Olivier Middendorp

Net als slingers hebben atomen een frequentie die je kunt gebruiken voor het tikken van de tijd. Maar wat tikt er in een atoom? Atomen kunnen zich in verschillende energietoestanden bevinden. Als je ze met rust laat, dan zitten ze in de grondtoestand. Als je er met een laser op schijnt, dan springen ze naar een hogere energietoestand, de zogeheten aangeslagen toestand. Dat sprongetje kunnen ze alleen maken als je ze precies de juiste hoeveelheid energie geeft. Dat doe je door er met een laser met precies de juiste frequentie op te schijnen. De frequentie van licht ervaren wij in het dagelijks leven als de kleur. Rood licht heeft een lagere frequentie dan blauw.

De energietransitie van atomen – het sprongetje naar een hogere energietoestand – is dus gekoppeld aan licht met een heel specifieke frequentie, vertelt Schreck. „Die kunnen we gebruiken als tikfrequentie van onze klok.”

Een sprongetje laten maken

Die frequentie kun je uitlezen door met een laser op atomen te schijnen en te kijken of ze in de aangeslagen toestand terechtkomen. Is dat niet zo, dan pas je de frequentie van je laserlicht net zo lang aan tot je de juiste frequentie gevonden hebt om de atomen het sprongetje te laten maken. Met die laserfrequentie kun je vervolgens een atoomklok aansturen.

Kun je de stap met de atomen niet overslaan en een klok simpelweg aansturen met de frequentie van een laser? Het Amsterdamse lab heeft immers genoeg lasers die nauwkeuriger zijn dan het lampje waar je kat achteraan rent. „Nee”, zegt Schreck. „Hoe goed ze ook zijn, lasers zijn – net als slingers – door mensen gemaakt. Dat betekent dat het akelige dingen zijn die niet altijd precies dezelfde frequentie licht uitzenden. Je moet dus telkens opnieuw met je atomen controleren of je laser nog de juiste frequentie heeft, of dat je de frequentie een beetje moet bijstellen.”

Het signaal dat uit de optische atoomklok komt is dus een laserstraal die telkens gecorrigeerd wordt door een wolkje atomen. Wat je vervolgens doet met die frequentie hangt af van de toepassing. Voor het meten van hoogteverschillen heb je genoeg aan de frequentie, omdat je daarbij de frequenties van twee identieke klokken op twee verschillende hoogtes vergelijkt. Maar als je bijvoorbeeld de klok van een computer wilt aansturen, dan moet je de frequentie omzetten naar een signaal waar de computer bijvoorbeeld één tik per seconde van kan maken voor de wijzer op je scherm.

Om te controleren of de laser de juiste frequentie heeft, gebruiken de onderzoekers wolkjes van tienduizenden tot honderdduizenden atomen. Dat kan omdat de frequentie die je nodig hebt om deze atomen in een aangeslagen toestand te brengen identiek is voor alle atomen van een bepaalde atoomsoort (isotoop). „Wij gebruiken strontiumatomen en dankzij de wetten van de quantummechanica, en uitvoerige metingen, weten we dat elk strontiumatoom bij exact dezelfde frequentie aangeslagen raakt”, vertelt Schreck. „Het enige wat wij hoeven te doen is die atomen niet verpesten.” Dat verpesten kan gebeuren door de aanwezigheid van magnetische velden of wanneer de atomen onderling botsen. Daardoor kan die mooie frequentie namelijk een klein beetje veranderen. Om dat te voorkomen gebruiken de onderzoekers een gas van losse atomen dat ze afschermen van verstorende omgevingsfactoren.

Lees ook
De aflevering over strontium in de rubriek De Elementen

Robuuster en betaalbaarder

Er zijn meerdere atoomsoorten die geschikt zijn voor optische atoomklokken, zoals kwik, ytterbium en strontium. In Amsterdam gebruiken ze strontiumatomen, omdat die relatief makkelijk te gebruiken zijn. Maar zelfs voor de meest geschikte atomen heb je op dit moment nog meerdere tafels met complexe, gevoelige apparatuur nodig.

Die opstelling moet de komende jaren kleiner, compacter, robuuster en betaalbaarder worden, vertelt Schreck. „Binnen het Europese project AQuRA (Advanced Quantum Clock for Real World Applications) werken we aan een optische atoomklok die makkelijker te transporteren is en waarvan alle onderdelen gemaakt worden door bedrijven en start-ups.” Het doel is om deze supernauwkeurige klokken ook buiten het lab te kunnen gebruiken, bijvoorbeeld voor telecombedrijven, landmetingen of om de atoomklokken in gps-satellieten te vervangen. Daarin zitten nu oude modellen met een lagere tikfrequentie die iets minder nauwkeurig zijn.

Foto’s: Foto Olivier Middendorp

Bij het Duitse metrologisch instituut PTB hebben ze al een optische atoomklok die je in een busje kan transporteren. Maar deze heeft nog niet de gewenste nauwkeurigheid. „Ik denk dat we over ongeveer twee jaar zo ver zijn dat we deze klokken kunnen verplaatsen”, zegt Koelemeij.

Hoeveel werk het is om de optische atoomklok compacter te maken, blijkt als Schreck een van de zwarte gordijnen oprolt en uitlegt wat er in de apparatuur op de tafels in het lab gebeurt. „Daar staat de oven waar we een blokje strontium in doen”, zegt hij, wijzend naar een soort metalen cilinder. „Dat is de laatste keer dat we het strontium aanraken.” In de oven verdampt het materiaal tot een gas van losse strontiumatomen. „Die vliegen met een snelheid van honderden meters per seconde door smalle buisjes naar het eerste koelsysteem.” Hoe heter het gas is, hoe sneller de atomen erin bewegen. Om hun frequentie te kunnen meten moet het gas afgekoeld worden tot een fractie boven het absolute nulpunt (-273,15°C). De atomen staan dan bijna helemaal stil.

Stralende atomen

Schreck wijst naar een kleine ruimte waarin een blauw schijnsel te zien is. „Daar worden de atomen afgekoeld met een blauwe laser. De lichtdeeltjes uit die laser botsen op de atomen die van de andere kant komen. Daardoor remmen ze de atomen af tot een snelheid van ongeveer twintig meter per seconde.” Vervolgens komen ze in een ander deel van de opstelling terecht waar andere lasers ervoor zorgen dat ze nog verder afkoelen. „De laserstralen zijn daar zo gekozen dat het voor de atomen is alsof ze door stroop bewegen, waardoor ze verder vertragen. Ze hebben dan een snelheid van een meter per seconde.” Maar zelfs dat is nog te veel. Daarom worden ze in de volgende koelstap verder afgeremd door een rode laser, waarvan ook weer een zwak schijnsel zichtbaar is in de opstelling. Ten slotte is er een systeem van laserbundels die de atomen vastzetten, als eieren in een eierdoos. Pas dan kan de laatste laser op de strontiumatomen schijnen om de frequentie uit te lezen.

Tot zover doen de natuurkundigen in het lab van Schreck niets wat niet ook in andere optische-atoomklokkenlabs gebeurt. Dat is anders aan de overkant van de gang, waar minder opstellingen staan, sommige nog in aanbouw. Een aantal tafels is leeg en her en der liggen onderdelen die nog in elkaar gezet moeten worden. „Hier proberen we optische atoomklokken compacter en efficiënter te maken”, vertelt Schreck. „De huidige klokken leveren gepulste signalen: de laser leest de atomen uit, wat een paar seconden duurt, en zendt daarna de frequentie uit. Wij proberen klokken te maken die continu licht uitzenden met de juiste klokfrequentie.” Dat zou betekenen dat je niet meer hoeft te middelen over meerdere pulsen voor een supernauwkeurige frequentie. Een continue optische atoomklok geeft dus sneller resultaat.

In een van de nieuwe opstellingen proberen ze dat voor elkaar te krijgen door niet het signaal van een laser te gebruiken als klokfrequentie, maar door de atomen zelf licht met die frequentie te laten uitzenden. Dat kunnen die atomen best. Nadat ze zijn beschenen door een laser en hun aangeslagen hogere energietoestand zijn geraakt, keren ze namelijk na een tijdje terug naar hun grondtoestand. Daarbij stralen ze vanzelf licht uit met precies dezelfde klokfrequentie als de laser had die ze naar de hogere toestand bracht.

„In het nieuwe klokontwerp manipuleren we de atomen van te voren zodat ze in de aangeslagen toestand komen”, vertelt Schreck. „Vervolgens verleiden we ze ertoe om terug te vallen en licht uit te zenden met de klokfrequentie. Het is niet eenvoudig om daar een meetbaar signaal uit te halen. Daarvoor heb je namelijk honderdduizend atomen nodig die het licht uitzenden in dezelfde richting.”

De onderzoekers halen daarvoor een truc uit. Ze stoppen de atomen in een ruimte tussen twee spiegels. Als een atoom terugkeert naar de grondtoestand en toevallig licht uitzendt in de richting van een van de spiegels, dan zal dat licht heen en weer gaan kaatsen. „Als je dit systeem goed inricht dan zorgt dat ervoor dat de andere atomen ook hun licht gaan uitzenden in dezelfde richting”, vertelt Schreck. „Dat levert dan een prachtige laserbundel op met precies de gewenste klokfrequentie.”

Je kunt de klok bijvoorbeeld naar allerlei zendmasten van telecomproviders sturenJeroen Koelemeij universitair docent

In 2016 kregen onderzoekers van het Amerikaanse onderzoeksinstituut JILA dit voor elkaar. Toen was het signaal nog wel pulserend. Om dit continu te laten verlopen moet je een constante stroom ‘verse’, aangeslagen atomen de ruimte tussen de spiegels in laten glijden. Die techniek is de groep van Schreck nu aan het testen.

Terwijl Schreck sleutelt aan de klokken, kijkt zijn collega Jeroen Koelemeij meer naar toepassingen. „Het is mogelijk om het frequentiesignaal van zo’n supernauwkeurige klok te versturen over een glasvezelkabel”, vertelt hij. „Je kunt de klok dan bijvoorbeeld naar allerlei zendmasten van telecomproviders sturen. Zo wordt elk van die zendmasten een supernauwkeurige klok, die via het mobieletelefoonnetwerk signalen kan uitzenden.”

Krachtige zonnevlammen

Met collega’s uit Delft en metrologisch instituut VSL liet Koelemeij in 2022 zien dat je met deze techniek kunt navigeren. De zendmasten zijn dan via glasvezel verbonden met een atoomklok en nemen zo de plaats in van gps-satellieten. Deze methode bleek nauwkeuriger dan gps, met name in steden, waar de gps-signalen echoën op gebouwen waardoor de ontvanger in de war raakt. In hun tests op de campus van de TU Delft konden ze hun locatie zo tot op 10 centimeter nauwkeurig bepalen, terwijl je er met gps vaak een paar meter naast zit.

Een centrale optische atoomklok met een glasvezelverbinding zou je ook kunnen gebruiken voor financiële transacties en om bijvoorbeeld het elektriciteitsnet te synchroniseren, zodat het stabieler is. En je kunt er radiotelescopen mee synchroniseren, wat scherpere waarnemingen van de hemel oplevert. Koelemeij: „Deze methode is nauwkeuriger dan wanneer je het gps-signaal als klok gebruikt. En je bent niet meer afhankelijk van satellieten, die kunnen uitvallen bij krachtige zonnevlammen en die – al dan niet doelbewust – verstoord kunnen worden door andere signalen.”

Een andere, meer fundamentele toepassing van de klokken is het controleren of natuurconstanten wel echt constant zijn, vertelt Koelemeij. Een voorbeeld is de verhouding tussen de massa van het elektron en die van het proton (atoomkerndeeltje). Tot nu toe wijzen alle metingen erop dat die verhouding constant is. Met supernauwkeurige klokken kunnen we gaan kijken of de waarde niet toch een heel klein beetje varieert.

Volgens Koelemeij kunnen we in de toekomst nog meer toepassingen verwachten. „Toen de eerste atoomklokken gebouwd werden in de jaren vijftig had niemand kunnen voorspellen dat ze nu in gps-satellieten zitten en gebruikt worden voor navigatie”, zegt hij. „De klokken die Florian Schreck nu bouwt zijn nóg nauwkeuriger, dus ook daarvoor zullen er toepassingen zijn die we nog niet kunnen voorzien.”

Delen





Mail de redactie