Natuurkundigen bouwen eerste werkende kernklok met thorium-229

Al sinds de jaren vijftig gebruiken we atoomklokken om tijd ongekend nauwkeurig te meten: ze vormen de basis van gps, internet en wetenschappelijk onderzoek. Die klokken tikken op basis van elektronen die van energieniveau wisselen in een atoom. Een internationaal team van natuurkundigen, geleid vanuit TU Wien in Wenen, heeft nu voor het eerst een klok gebouwd die in plaats daarvan de atoomkern zelf als tikker gebruikt. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature.

Waarom een klok op de atoomkern

De isotoop thorium-229 heeft een bijzondere eigenschap: de kern van dit atoom kan van energieniveau wisselen met een piepklein verschil in energie, zo klein dat het met een laser is op te wekken. Dat is voor atoomkernen extreem ongewoon. Natuurkundigen opperden deze mogelijkheid al in 2003, maar pas de afgelopen jaren is de precieze energie van deze overgang nauwkeurig genoeg bepaald om er een laser op af te stemmen. Het voordeel van een kernklok is dat de kern zelf goed is afgeschermd tegen storingen van buitenaf, zoals magnetische velden. Daardoor kan de klok mogelijk stabieler worden dan bestaande optische klokken, en bovendien in een gewoon kristal bij kamertemperatuur werken in plaats van in een hoogvacuüm met gekoelde atomen.

Een kristal, een laser en een feedbacklus

Voor hun experiment brachten de onderzoekers een minuscule hoeveelheid thorium-229 aan in een millimetergroot kristal van calciumfluoride. Op dat kristal richtten ze een laser die licht uitzendt met een golflengte van 148 nanometer, diep in het ultraviolette deel van het spectrum. Door voortdurend te meten hoeveel licht het thorium-229 absorbeert, kon het team de laser razendsnel bijsturen zodat die precies op de kernovergang afgestemd bleef: een feedbacklus die de kern zelf als referentie gebruikt. Vervolgens vergeleken ze de frequentie van deze laser met die van een bestaande, zeer nauwkeurige optische frequentiekam gekoppeld aan een ytterbium-ionklok bij het Oostenrijkse meetinstituut BEV. De nieuwe kernklok bleek al in deze vroege vorm een stabiliteit te bereiken die in de buurt komt van 10^-15 over een hele dag meten, en de onderzoekers verwachten dat toekomstige versies nog vele malen nauwkeuriger kunnen worden.

Jacht op donkere materie

Omdat de energie van de thorium-overgang toevallig extreem gevoelig is voor veranderingen in fundamentele natuurkrachten, is de kernklok ook een gevoelig instrument om nieuwe natuurkunde te zoeken. Het team gebruikte de klok direct om te speuren naar donkere materie: onzichtbare massa die volgens kosmologische modellen het grootste deel van alle materie in het heelal vormt, maar nooit rechtstreeks is waargenomen. Door op zoek te gaan naar periodieke schommelingen of langzame drift in de kernovergang over tijdschalen van twintig seconden tot een dag, konden de onderzoekers grenzen stellen aan hoe sterk hypothetische donkeremateriedeeltjes zouden kunnen koppelen aan licht en aan de sterke kernkracht. Op sommige punten evenaren die grenzen al de beste bestaande atoomklokken, en op andere gaan ze daar zelfs overheen. Daarmee is de kernklok nog geen vervanger van bestaande tijdstandaarden, maar wel een veelbelovend nieuw gereedschap voor fundamenteel natuurkundig onderzoek.