Een Europese samenwerking met klokkenexperts van het National Physical Laboratory (NPL), de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en het Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) hebben voor het eerst een draagbare optische atoomklok gebruikt om de zwaartekracht te meten. De resultaten van het experiment zijn gepubliceerd in Natuurfysica .

Tot nu, dergelijke delicate klokken zijn beperkt tot laboratoria bij een paar grote onderzoeksinstellingen. Echter, onderzoekers van PTB hebben een transporteerbare strontium optische roosterklok ontwikkeld voor het uitvoeren van metingen in het veld. De verplaatsbare klok werd in een trillingsgedempte en temperatuurgestabiliseerde trailer naar het Franse Modane Underground Laboratory (LSM) gereden. Het multidisciplinaire lab bevindt zich in het midden van de Fréjus-wegtunnel tussen Frankrijk en Italië.

Daar, het team heeft het zwaartekrachtpotentiaalverschil gemeten tussen de exacte locatie van de klok in de berg en een tweede klok bij INRIM op 90 km afstand in Turijn, Italië, op een hoogteverschil van ongeveer 1, 000 meter.

De nauwkeurige vergelijking van de twee klokken is mogelijk gemaakt met behulp van een 150 km lange glasvezelverbinding opgezet door INRIM en een frequentiekam van NPL om de klok aan te sluiten op de verbinding. Onderzoekers van de Leibniz Universität Hannover bepaalden ook het zwaartekrachtpotentiaalverschil met behulp van conventionele geodetische technieken, en de twee metingen bleken consistent te zijn.

Met verbeteringen aan de nauwkeurigheid van de verplaatsbare optische klok, deze techniek heeft het potentieel om hoogteverschillen van slechts 1 cm over het aardoppervlak op te lossen. Het voordeel van het gebruik van optische klokken is dat ze metingen kunnen doen op specifieke punten in tegenstelling tot satellietmetingen, zoals GRACE en GOCE, die het zwaartekrachtpotentieel gemiddeld over lengteschalen van ongeveer 100 km.

Deze nieuwe methode zou kunnen leiden tot metingen met een hogere resolutie van het zwaartekrachtpotentieel van de aarde, waardoor wetenschappers continentale hoogteveranderingen gerelateerd aan de zeespiegel en de dynamiek van oceaanstromingen met ongekende nauwkeurigheid kunnen volgen. Het zal ook leiden tot meer consistente nationale hoogtesystemen.

Momenteel, verschillende landen meten het aardoppervlak op dezelfde manier, maar ten opzichte van verschillende referentieniveaus. Dit heeft tot problemen geleid, zoals de Hochrhein-brug tussen Duitsland en Zwitserland, waar de constructie aan elke kant verschillende zeespiegelberekeningen gebruikte, wat leidt tot een discrepantie van 54 cm tussen de twee zijden.

Door consistentie tussen nationale hoogtesystemen te bereiken, worden kostbare fouten in engineering- en bouwprojecten voorkomen. Verbeterde metingen van het zwaartekrachtpotentieel kunnen ook helpen om ons begrip te verbeteren van de geodynamische effecten die verband houden met massale veranderingen onder het aardoppervlak.

Deze technologie zal ook de veranderende zeespiegel in realtime meten, waardoor onderzoekers seizoensgebonden en langetermijntrends in ijskapmassa's en algemene veranderingen in oceaanmassa kunnen volgen. Dergelijke gegevens leveren kritische input voor modellen die worden gebruikt om de effecten van klimaatverandering te bestuderen en te voorspellen.

Helena Margolis, fellow in optische frequentiestandaarden en metrologie bij NPL, zei, "Ons proof-of-principle-experiment toont aan dat optische klokken een manier kunnen zijn om discrepanties te elimineren en metingen die over de landsgrenzen heen worden gedaan te harmoniseren. Op een dag, dergelijke technologie zou kunnen helpen om veranderingen in de zeespiegel als gevolg van klimaatverandering te volgen."

Groepsleider Christian Lisdat bij PTB, zei, "Optische klokken worden beschouwd als de volgende generatie atoomklokken, die niet alleen in laboratoria werken, maar ook als mobiele precisie-instrumenten."

Davide Calonico bij INRIM, zei, "We hebben aangetoond dat optische klokken waardevolle kwantumsensoren zijn, en hun kwantumtechnologie is gunstig buiten de primaire metrologie, in geodesie. Samen, optische klokken en glasvezelverbindingen bieden de mogelijkheid om toegang te krijgen tot nieuw en fascinerend wetenschappelijk onderzoek"

Heiner Denker aan de Leibniz Universität Hannover, zei, "De nieuw ontwikkelde optische klokken hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in geodetische hoogtebepaling, omdat ze enkele van de beperkingen van klassieke geodetische technieken kunnen overwinnen. Optische klokken kunnen helpen om een ​​uniform hoogtereferentiesysteem op de wereld op te zetten met een aanzienlijke impact op geodynamisch en klimaatonderzoek."