Nederlandse ontdekking? Nee, Japans: kaart van thorium wijst weg naar kernklok

Een team van de Japanse Okayama University heeft ontdekt op welke plekken in een kristal thorium-atomen zich het liefst nestelen. De bevindingen, gepubliceerd in het vakblad Science, brengen de bouw van extreem nauwkeurige klokken een stap dichterbij. Deze zogeheten nucleaire klokken zouden de tijd nog preciezer kunnen meten dan de beste atoomklokken van dit moment.

Waarom bestaande klokken tekortschieten

De nauwkeurigste klokken ter wereld zijn nu atoomklokken. Die meten tijd door te kijken naar de energiesprongen van elektronen in atomen. Dat werkt goed, maar elektronen zijn gevoelig voor storingen van buitenaf, zoals magnetische en elektrische velden. Onderzoekers zoeken daarom al jaren naar een alternatief dat dieper in het atoom zit: de atoomkern zelf. Kernen liggen goed afgeschermd binnen het atoom, waardoor ze veel minder last hebben van omgevingsinvloeden. Het probleem is dat je normaal gesproken een krachtige gammastraler nodig hebt om een atoomkern in een hogere energietoestand te brengen, en zulke lasers bestaan nog niet.

Thorium als uitzondering op de regel

Thorium-229 vormt hierop een unieke uitzondering. Bij dit specifieke atoom ligt de energiesprong in de kern zo laag dat een gewone ultraviolette laser volstaat in plaats van gammastraling. Dat maakt thorium-229 al jaren de meest kansrijke kandidaat voor een werkende nucleaire klok. Het team van hoofdonderzoeker Takahiro Hiraki bouwde hierop voort door thorium-229 te mengen in kristallen van calciumfluoride en er met een nauwkeurig afgestelde ultraviolette laser doorheen te schijnen. Ze gebruikten daarbij een aangepaste versie van Mössbauer-spectroscopie, een gevestigde techniek waarmee natuurkundigen al decennia de directe omgeving van atoomkernen in vaste stoffen bestuderen door te kijken hoe die kernen straling absorberen en weer uitzenden.

Vier plekken, niet allemaal even geschikt

Uit de metingen bleek dat thorium-ionen in het kristal op vier verschillende plekken kunnen belanden. Elke plek heeft een eigen kristalstructuur om zich heen en dus een net iets ander elektrisch veld, wat de energieniveaus van de kern subtiel beïnvloedt. Door hun laser precies op één van die vier plekken te richten, konden de onderzoekers gericht de thoriumkernen op die specifieke plek aanslaan. Vervolgens maten ze hoelang de aangeslagen toestand bleef bestaan en hoe laserlicht dat verval kon versnellen. Niet elke plek bleek even bruikbaar: sommige posities hebben een scheef elektrisch veld, wat tot tijdfouten leidt in een toekomstige klok. Andere posities zijn juist opvallend stabiel en voorspelbaar. Met dit werk hebben de onderzoekers in feite een routekaart gemaakt voor toekomstige klokkenbouwers, die nu weten welke plekken in het kristal ze moeten opzoeken en welke ze beter kunnen mijden. Het is een concrete stap richting compacte, extreem nauwkeurige klokken die ooit op een enkele chip zouden kunnen passen.