Zoals horlogemakers die superieure materialen kiezen om een ​​mooi uurwerk te bouwen, natuurkundigen van het Center for Quantum Technologies (CQT) van de National University of Singapore hebben een atoom uitgekozen waarmee ze betere atoomklokken kunnen bouwen. Het CQT-team rapporteert in Natuurcommunicatie dat een voorheen verwaarloosd element - lutetium - de beste klokken van vandaag zou kunnen verbeteren. Lutetium (Lu) is een zeldzaam aardelement met atoomnummer 71.

"De ultieme prestatie van een klok komt neer op de eigenschappen van het atoom - hoe ongevoelig het atoom is voor zijn omgeving. Ik zou lutetium de beste in zijn klasse noemen, " zegt Murray Barrett, die het onderzoek leidde. Gegevens in de krant van het team, gepubliceerd op 25 april in Natuurcommunicatie , laat zien dat lutetium een ​​lagere temperatuurgevoeligheid heeft dan atomen die tegenwoordig in klokken worden gebruikt. Deze metingen dragen bij aan eerdere resultaten die aantoonden dat dit de basis zou kunnen zijn van een krachtige klok.

Atoomklokken bepalen al meer dan een halve eeuw de wereldwijde standaard voor het meten van tijd. Maar aangezien de tweede werd gedefinieerd met verwijzing naar cesiumatomen in de jaren zestig, er is wereldwijde concurrentie geweest om de nauwkeurigheid en stabiliteit van atoomklokken te verbeteren. Tijdsignalen van cesiumklokken ondersteunen nog steeds het Global Positioning System en helpen transport- en communicatienetwerken te synchroniseren, maar atomen van vele andere soorten, zoals ytterbium, aluminium en strontium, wedijveren nu om de meest nauwkeurige tijdmetingen te doen.

Deze klokken van de volgende generatie, met onzekerheden rond een deel op een miljard miljard, bewijzen hun moed bij het testen van fundamentele fysica - van metingen van de zwaartekracht tot het zoeken naar afwijkingen in fundamentele constanten. De 'tik' van een atoomklok komt niet rechtstreeks van het atoom, maar van de oscillatie van een lichtgolf. De oscillatiefrequentie wordt vastgelegd door deze te vergrendelen op de resonantiefrequentie van het atoom. In praktijk, dit betekent dat een laser is afgestemd om een ​​van de elektronen van het atoom van een laag energieniveau naar een hoger energieniveau te laten springen. Hoeveel energie deze sprong kost, is een vaste eigenschap van het atoom. De frequentie van de laser is afgestemd om precies de juiste hoeveelheid energie te leveren in een enkel lichtdeeltje (een foton). Zodra deze goede plek is gevonden, de klok telt de tijd door de oscillaties van de lichtgolf te meten.

Cesiumklokken lopen op microgolffrequentie - of precies 9, 192, 631, 770 tikken per seconde. De meest recente generatie atoomklokken loopt op optische frequenties, die een tiental aanvinken, 000 keer sneller. Door de tijd in kleinere stappen te tellen, is een nauwkeurigere meting mogelijk.

Lutetium werkt ook op optische frequenties, maar goede klokken maken is meer dan een snelle tik - die tikken moeten ook in de loop van de tijd stabiel zijn. Dit is waar lutetium kan schijnen.

Een bron van onnauwkeurigheid in de klokfrequentie is de gevoeligheid voor de temperatuur van de omgeving van het atoom. Barrett en zijn collega's hebben zojuist de sterkte van deze 'zwartlichaamstralingsverschuiving' gemeten voor klokovergangen in lutetium. De zes maanden durende inspanning, waarbij gebruik wordt gemaakt van een krachtige laser zoals die voor industrieel snijden wordt gebruikt, gaf een resultaat voor de stralingsverschuiving van het zwarte lichaam voor één energieniveau-overgang die dichter bij nul ligt dan voor een gevestigde optische atoomklok.

"We hebben definitief aangetoond dat lutetium het minst temperatuurgevoelig is van alle gevestigde atoomklokken, ", zegt eerste auteur Kyle Arnold. Dat zal niet alleen een op laboratorium gebaseerde klok nauwkeuriger maken, maar ook klokken die uit het lab komen, praktischer maken, waardoor ze in een breder scala van omgevingen kunnen opereren.

In eerdere kranten, het team heeft andere eigenschappen van lutetium gerapporteerd die relevant zijn voor het bouwen van klokken, vinden dat ze kunnen concurreren met de beste klokatomen van vandaag. "Als je een goede echt ytterbium-klok kunt bouwen, je zult onvermijdelijk een betere lutetiumklok bouwen, of het zal in ieder geval makkelijker voor je zijn om een ​​lutetium klok te bouwen die net zo goed is, " zegt Barrett. Voor nu, de onderzoekers werken aan klokken met enkele ionen, maar uiteindelijk, ze willen klokken maken op basis van roosters of netwerken van veel ionen. Ze beginnen met lutetium in bulkvorm als een zilverwitte metaalfolie voordat ze een paar atomen in hun apparaat koken.

De teamleden zijn niet op de hoogte van andere groepen die met lutetium werken. Een van de redenen waarom lutetium niet werd uitgeprobeerd, is dat er een nieuwe techniek voor nodig was, ontdekt door Barrett en zijn medewerkers, om bepaalde bronnen van onnauwkeurigheid in de klok te annuleren. Deze 'hyperfijne middelingstechniek' is beschreven in eerdere artikelen. "Ik zie het sowieso niet als een al te technische, moeilijk om te doen, maar ik denk dat mensen wachten om te zien hoe dit uitpakt, ' zegt Barrett.