Experimentele atoomklokken van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben drie nieuwe prestatierecords behaald, nu precies genoeg tikken om niet alleen de tijdwaarneming en navigatie te verbeteren, maar ook zwakke signalen van de zwaartekracht detecteren, het vroege heelal en misschien zelfs donkere materie.

De klokken vangen elk duizend ytterbium-atomen in optische roosters, roosters gemaakt van laserstralen. De atomen tikken door te trillen of te schakelen tussen twee energieniveaus. Door twee onafhankelijke klokken te vergelijken, NIST-natuurkundigen behaalden recordprestaties in drie belangrijke maatregelen:systematische onzekerheid, stabiliteit en reproduceerbaarheid.

Online gepubliceerd op 28 november in het tijdschrift Natuur , de nieuwe NIST klokrecords zijn:

• Systematische onzekerheid:hoe goed de klok natuurlijke trillingen weergeeft, of frequentie, van de atomen. NIST-onderzoekers ontdekten dat elke klok tikte met een snelheid die overeenkwam met de natuurlijke frequentie tot binnen een mogelijke fout van slechts 1,4 delen op 10 ¹⁸ — ongeveer een miljardste van een miljardste.
• Stabiliteit:hoeveel de frequentie van de klok verandert gedurende een bepaald tijdsinterval, gemeten tot een niveau van 3,2 delen in 10 ¹⁹ (of 0,000000000000000000032) gedurende een dag.
• Reproduceerbaarheid:hoe dicht de twee klokken op dezelfde frequentie tikken, getoond door 10 vergelijkingen van het klokpaar, wat een frequentieverschil oplevert onder de 10 ^-18 niveau (opnieuw minder dan een miljardste van een miljardste).

"Systematische onzekerheid, stabiliteit, en reproduceerbaarheid kan worden beschouwd als de 'royal flush' van prestaties voor deze klokken, "projectleider Andrew Ludlow zei. "De overeenstemming van de twee klokken op dit ongekende niveau, die we reproduceerbaarheid noemen, is misschien wel het belangrijkste resultaat, omdat het in wezen de andere twee resultaten vereist en onderbouwt."

"Dit is met name het geval omdat de aangetoonde reproduceerbaarheid laat zien dat de totale fout van de klok onder ons algemene vermogen om rekening te houden met het effect van de zwaartekracht op de tijd hier op aarde. zoals we ons voorstellen dat klokken zoals deze in het hele land of de wereld worden gebruikt, hun relatieve prestatie zou zijn, Voor de eerste keer, beperkt door de zwaartekracht van de aarde."

Einsteins relativiteitstheorie voorspelt dat het tikken van een atoomklok, dat is, de frequentie van de trillingen van de atomen, wordt verminderd - verschoven naar het rode uiteinde van het elektromagnetische spectrum - bij gebruik in sterkere zwaartekracht. Dat is, de tijd verstrijkt langzamer op lagere hoogten.

Terwijl deze zogenaamde roodverschuivingen de tijdwaarneming van een klok verslechteren, dezelfde gevoeligheid kan op zijn kop worden gezet om de zwaartekracht voortreffelijk te meten. Supergevoelige klokken kunnen de zwaartekrachtvervorming van ruimte-tijd nauwkeuriger dan ooit in kaart brengen. Toepassingen zijn onder meer relativistische geodesie, die de zwaartekrachtvorm van de aarde meet, en het detecteren van signalen uit het vroege heelal, zoals zwaartekrachtsgolven en misschien zelfs nog onverklaarbare 'donkere materie'.

De ytterbiumklokken van NIST overtreffen nu het conventionele vermogen om de geoïde te meten, of de vorm van de aarde op basis van getijdenmetingen op zeeniveau. Vergelijkingen van dergelijke klokken die ver uit elkaar liggen, zoals op verschillende continenten, zouden geodetische metingen kunnen oplossen tot op 1 centimeter, beter dan de huidige stand van de techniek van enkele centimeters.

In het afgelopen decennium van nieuwe klokprestatierecords die zijn aangekondigd door NIST en andere laboratoria over de hele wereld, dit nieuwste papier toont reproduceerbaarheid op een hoog niveau, zeggen de onderzoekers. Verder, de vergelijking van twee klokken is de traditionele methode om prestaties te evalueren.

Een van de verbeteringen in de nieuwste ytterbiumklokken van NIST was de toevoeging van thermische en elektrische afscherming, die de atomen omringen om ze te beschermen tegen verdwaalde elektrische velden en om onderzoekers in staat te stellen frequentieverschuivingen veroorzaakt door warmtestraling beter te karakteriseren en te corrigeren.

Het ytterbium-atoom is een van de potentiële kandidaten voor de toekomstige herdefiniëring van de tweede - de internationale tijdseenheid - in termen van optische frequenties. De nieuwe klokrecords van NIST voldoen aan een van de vereisten van de internationale herdefiniëring van de roadmap, een 100-voudige verbetering in gevalideerde nauwkeurigheid ten opzichte van de beste klokken op basis van de huidige standaard, het cesiumatoom, die trilt bij lagere microgolffrequenties.

NIST bouwt een draagbare ytterbium-roosterklok met ultramoderne prestaties die naar andere laboratoria over de hele wereld kan worden getransporteerd voor klokvergelijkingen en naar andere locaties om relativistische geodesietechnieken te onderzoeken.