Kernklok: tijdmeting met de kern van het atoom
Een kernklok (in het Engels 'nuclear clock') is een nieuw type extreem nauwkeurige klok die niet, zoals alle huidige klokken, gebruikmaakt van elektronen in een atoom, maar van de atoomkern zelf. Stel je een atoom voor als een piepklein zonnestelsel: een zware kern in het midden, met elektronen die daar in wolken omheen zweven. Bestaande atoomklokken 'tikken' op het ritme van die elektronenwolk. Een kernklok zou tikken op het ritme van de kern zelf, diep verscholen binnen het atoom.
Dat verschil lijkt klein, maar is natuurkundig enorm. De kern is duizenden keren kleiner dan de elektronenwolk en wordt erdoor afgeschermd van storingen van buitenaf, zoals magneetvelden. Daardoor zou een kernklok in theorie nog stabieler en nauwkeuriger kunnen zijn dan de beste atoomklokken van nu, die al zo precies lopen dat ze in de leeftijd van het heelal nauwelijks een seconde zouden afwijken. Het is vergelijkbaar met het verschil tussen een pendule die buiten in de wind hangt en een slinger die diep in een afgeschermde kelder beschermd hangt tegen tocht: beide tikken, maar de een is veel minder gevoelig voor verstoring.
Wat is het precies?
Gewone atoomklokken, zoals de cesiumklok die sinds 1967 de internationale seconde definieert, meten hoe snel elektronen in een atoom tussen twee energietoestanden heen en weer springen. Dat gebeurt met microgolfstraling. Modernere 'optische klokken', gebaseerd op atomen als strontium of ytterbium, gebruiken zichtbaar of ultraviolet laserlicht en zijn nog honderden keren nauwkeuriger.
Een atoomkern kan ook van energietoestand veranderen, maar dat gaat meestal gepaard met gammastraling van duizenden tot miljoenen keren meer energie dan licht. Zulke overgangen zijn met lasers onmogelijk aan te slaan: er bestaat gewoonweg geen laser die zo energierijk licht kan produceren met de precisie die voor een klok nodig is.
Thorium-229 is daarop de grote uitzondering. Deze isotoop heeft een zogeheten isomere kerntoestand, een soort metastabiele 'tussenstand' van de kern, met een ongewoon lage energie van ongeveer 8,4 elektronvolt. Dat komt overeen met licht met een golflengte van ongeveer 148 nanometer, in het vacuüm-ultraviolet. Die energie ligt, als enige bekende kernovergang, net binnen het bereik van gespecialiseerde lasers. Dat maakt thorium-229 de enige realistische kandidaat voor een kernklok.
Het idee werd in 2003 voor het eerst voorgesteld door de Duitse natuurkundigen Ekkehard Peik en Christian Tamm. Het duurde daarna ruim twintig jaar om de exacte energie van de overgang precies genoeg te bepalen om hem daadwerkelijk met een laser te kunnen 'raken'. Dat was een beetje zoeken naar een naald in een hooiberg: de theorie kon de energie niet nauwkeurig genoeg voorspellen, dus moest die stap voor stap experimenteel worden ingeperkt.
Onderzoekers volgen grofweg twee technische wegen. De ene stopt thorium-229-atomen in een doorzichtig kristal, bijvoorbeeld calciumfluoride. Dat levert miljoenen kernen tegelijk op, wat het signaal versterkt, maar het kristalrooster verstoort de kernen ook enigszins, wat zorgvuldig gecorrigeerd moet worden. De andere vangt losse thorium-229-ionen in een ionenval in vacuüm, de methode die ook bij de beste bestaande optische klokken wordt gebruikt. Dat geeft een schonere, minder verstoorde omgeving, maar is technisch veel lastiger omdat er maar enkele ionen per keer worden gemeten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is nauwkeurigere tijdmeting dan ooit. De beste optische atoomklokken van nu bereiken al een relatieve nauwkeurigheid van ongeveer één op duizend miljard miljard. Een kernklok zou dankzij de afscherming van de kern in principe nog ongevoeliger kunnen zijn voor storende elektrische en magnetische velden, en dus mogelijk nog stabieler lopen.
Nauwkeurigere klokken zijn niet alleen een sportieve exercitie. De internationale seconde wordt momenteel gedefinieerd via de cesiumklok, maar er lopen al plannen om deze definitie rond 2030 over te hevelen naar optische atoomklokken. Een werkende kernklok zou op nog langere termijn een volgende kandidaat-standaard kunnen worden.
Een tweede, misschien nog interessanter doel is het testen van de natuurkunde zelf. Kernovergangen reageren anders op veranderingen in fundamentele natuurconstanten, zoals de fijnstructuurconstante, dan elektronenovergangen in atomen. Door de tikfrequentie van een kernklok voortdurend te vergelijken met die van een gewone atoomklok, ontstaat een extreem gevoelige test of die natuurconstanten werkelijk constant zijn, of toch heel licht variëren in tijd of ruimte. Dat is relevant voor theorieën over donkere materie en donkere energie, die soms voorspellen dat zulke 'constanten' in werkelijkheid heel subtiel oscilleren.
Daarnaast profiteren praktische toepassingen mee: satellietnavigatie, telecomnetwerken en relativistische geodesie (het meten van hoogteverschillen op aarde via het effect dat klokken lager in een zwaartekrachtveld iets langzamer lopen) worden preciezer naarmate klokken preciezer worden.
Voorbeelden uit de praktijk
2003 — PTB, Duitsland. Ekkehard Peik en Christian Tamm stellen voor het eerst voor om de thorium-229-isomeer als kernklok te gebruiken, op basis van theoretische berekeningen.
2016 — LMU/TU München, Duitsland. De onderzoeksgroep van Peter Thirolf levert het eerste directe experimentele bewijs dat de voorspelde isomere toestand daadwerkelijk bestaat, door de elektronen te detecteren die vrijkomen wanneer de kern terugvalt naar zijn grondtoestand.
2019 — Japan (RIKEN en partners). Een Japanse onderzoeksgroep demonstreert een alternatieve manier om de isomeer te bevolken, met synchrotron-röntgenstraling in plaats van een laser, als tussenstap op weg naar directe laseraansturing.
2023 — TU Wien, Oostenrijk. De groep van Thorsten Schumm slaagt er voor het eerst in om de thorium-229-kernovergang direct met laserlicht aan te slaan, in een thorium-gedoteerd calciumfluoride-kristal. Dit bepaalt de overgangsfrequentie veel preciezer dan ooit.
2024 — JILA/NIST (VS) en PTB (Duitsland). Twee groepen melden vlak na elkaar een werkend laboratoriumprototype. De groep van Jun Ye aan JILA vergelijkt de kristalgebaseerde thoriumovergang direct met een optische strontiumklok. Tegelijk bouwt de groep van Peik bij PTB een variant met een enkel gevangen thorium-ion in een ionenval. Beide resultaten worden algemeen gezien als de eerste functionerende, zij het nog verre van perfecte, kernklokken.
Hoe ver is de techniek?
De kernklok bevindt zich op dit moment in de fase van het 'proof of concept': er bestaan werkende laboratoriumopstellingen, maar nog geen kernklok die de beste optische atoomklokken in alle opzichten overtreft. Sinds de eerste directe laseraanslag in 2023 is de precisie waarmee de overgangsfrequentie bekend is in korte tijd met enkele orden van grootte verbeterd, wat wijst op een snel tempo van vooruitgang.
Toch zijn er stevige technische obstakels. De benodigde laser, die licht van ongeveer 148 nanometer moet produceren met extreme frequentiestabiliteit, is geen kant-en-klare technologie en vereist gespecialiseerde opstellingen. Bij de kristalvariant moeten onderzoekers nog goed uitzoeken hoe het kristalrooster de kernovergang subtiel verschuift, om die verschuiving nauwkeurig te kunnen corrigeren. Bij de ionenval-variant is het signaal zwak omdat er maar enkele ionen tegelijk worden gemeten, wat de meetsnelheid beperkt.
Eerlijkheidshalve: niemand kan op dit moment met zekerheid zeggen wanneer, of zelfs of, een kernklok de huidige optische atoomklokken in de praktijk zal overtreffen. Veel experts schatten dat er nog minstens een decennium nodig is om alle systematische fouten voldoende te begrijpen en te onderdrukken. De formele herdefinitie van de seconde is bovendien een traag, internationaal proces onder leiding van metrologie-instituten, waarin de kernklok op de korte termijn vermoedelijk geen rol speelt.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar de thorium-229-kernklok wordt gedreven door een klein aantal gespecialiseerde groepen wereldwijd. In de Verenigde Staten speelt JILA, een gezamenlijk instituut van de University of Colorado Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST), een voortrekkersrol onder leiding van natuurkundige Jun Ye. In Duitsland combineert de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de rol van bedenker van het concept, via Ekkehard Peik, met actief experimenteel werk aan de ionenval-variant. Ook de groep van Peter Thirolf, verbonden aan de Ludwig-Maximilians-Universität en de Technische Universität München, heeft met de detectie van de isomeer in 2016 een sleutelbijdrage geleverd.
In Oostenrijk is de groep van Thorsten Schumm aan de TU Wien verantwoordelijk voor de eerste succesvolle laseraanslag van de kernovergang in een kristal. Daarnaast draagt Japans onderzoek, onder meer vanuit RIKEN, bij met alternatieve excitatiemethoden via röntgenstraling. Bredere metrologie-instituten zoals het Amerikaanse NIST en Britse NPL (National Physical Laboratory) volgen de ontwikkelingen op de voet vanuit hun bredere opdracht om de volgende generatie tijdstandaarden te ontwikkelen, al concentreert het specifieke thorium-229-onderzoek zich vooral bij de hierboven genoemde groepen vanwege de extreme technische complexiteit.