Wat is er mooier dan een toonaangevende atoomklok? Twee klokken in één.

Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben twee experimentele atoomklokken op basis van ytterbium-atomen gecombineerd om opnieuw een wereldrecord voor klokstabiliteit te vestigen. Stabiliteit kan worden gezien als hoe precies de duur van elke kloktik overeenkomt met elke andere tik die ervoor en erna komt.

Deze buitengewone stabiliteit maakt de ytterbium-roosterklok een krachtiger hulpmiddel voor precisietests, zoals of de "fundamentele constanten" van de natuur echt constant zijn, en zoekt naar de ongrijpbare donkere materie die zogenaamd een groot deel van het universum uitmaakt. Het experiment dat het ontwerp met dubbele klok demonstreert, wordt gerapporteerd in: Natuurfotonica .

"We hebben een kritiek type ruis in de werking van de klok geëlimineerd, effectief het kloksignaal sterker maken, NIST-natuurkundige Andrew Ludlow zei. "Dit betekent dat we in slechts een paar duizend seconden een klokinstabiliteit van 1,5 delen in een quintiljoen (1 gevolgd door 18 nullen) kunnen bereiken. Hoewel dit slechts een klein beetje beter is dan het recordniveau van klokstabiliteit dat we een paar jaar geleden hebben aangetoond, we zijn er 10 keer sneller."

NIST-atoomklokken presteren routinematig op zeer hoge niveaus, maar wetenschappers passen ze voortdurend aan om kleine onvolkomenheden te verminderen. Het nieuwe ontwerp met dubbele klok elimineert een kleine maar significante vervorming in de laserfrequentie die de atomen meet en synchroniseert. Hoe stabieler de klok, hoe beter het meetvermogen.

De nieuwe ytterbiumrooster 'dubbele klok' is de meest stabiele klok ter wereld, hoewel een andere NIST-atoomklok, gebaseerd op strontium en gevestigd in JILA, heeft het wereldrecord voor precisie. Precisie verwijst naar hoe nauw de klok zichzelf afstemt op de natuurlijke frequentie waarmee de atomen tussen twee elektronische energieniveaus oscilleren.

Zowel de ytterbium- als de strontiumklok tikken op optische frequenties, veel hoger dan de microgolffrequenties van cesium-atoomklokken die als tijdstandaarden worden gebruikt. Een optische atoomklok werkt door de frequentie van een laser af te stemmen om te resoneren met de frequentie van de overgang van de atomen tussen twee energietoestanden. Deze atomaire ticking wordt overgebracht naar de laser voor gebruik als tijdwaarnemingsinstrument. Elke ruis of onzekerheid die dit proces beïnvloedt, verstoort de laserfrequentie en, dus, de nauwkeurigheid van de tijdwaarneming.

Optische atoomklokken wisselen meestal laseronderzoek van de atomen af ​​met perioden van "dode tijd" waarin de atomen worden voorbereid en gemeten. Tijdens dode tijden, bepaalde fluctuaties in de laserfrequentie worden niet goed waargenomen of gecompenseerd in het laserafstemmingsproces. De resulterende geluidseffecten (voor het eerst waargenomen in de jaren negentig door G.J. Dick, dan van het California Institute of Technology) heeft, tot nu, beperkte klokstabiliteit en precisie.

Het nieuwe dubbele klokontwerp van NIST heeft geen dode tijd - en is, daarom, bijgenaamd de ZDT-klok - en vrijwel geen dode tijdruis, omdat het continu atomen onderzoekt door heen en weer te schakelen van het ene atomaire ensemble naar het andere. De twee ensembles van 5, 000 en 10, 000 ytterbium-atomen, respectievelijk, zijn elk gevangen in een raster van laserlicht dat een optisch rooster wordt genoemd en onderzocht door een gedeelde laser.

Metingen van de reacties van de twee atoomensembles worden gecombineerd om een ​​enkele, gecombineerde correctie van de laserfrequentie. Deze metingen en correcties gaan twee keer zo snel als in een enkele klok. Omdat er geen dode tijdsruis is, de nieuwe klok bereikt recordstabiliteitsniveaus 10 keer sneller dan voorheen. Cruciaal, de prestaties worden nu beperkt door het atomaire systeem van de klok in plaats van de laser, een lang gezocht doel in de natuurkunde dat Ludlow een "droom" noemt voor toekomstige toepassingen.

Deze benadering kan uiteindelijk de grootte en complexiteit van de atoomklok verminderen, zodat het apparaat draagbaar genoeg kon worden gemaakt om buiten het laboratorium te gebruiken. Het fysieke pakket is momenteel groter dan een enkele klok, maar uiteindelijk zouden beide atoomsystemen een enkel vacuümapparaat en eenvoudiger lasersystemen kunnen delen, waardoor de totale omvang wordt verkleind, zei Ludlow. Draagbare optische atoomklokken zouden over de hele wereld kunnen worden verspreid voor relativistische geodesie (op zwaartekracht gebaseerde metingen van de vorm van de aarde) of op ruimtevaartuigen worden gedragen voor tests van de algemene relativiteitstheorie.