Onderzoekers hebben het tikken van een optische klok met recordnauwkeurigheid gemeten, terwijl ze ook hebben aangetoond dat de klok met ongekende consistentie kan worden bediend. Deze prestaties zijn een belangrijke stap in de richting van het aantonen dat de nieuwe generatie optische atoomklokken nauwkeurig en robuust genoeg is om te worden gebruikt om de officiële lengte van een seconde te herdefiniëren. die momenteel is gebaseerd op microgolf-atoomklokken.

"Een nauwkeurigere definitie van een tweede en betere infrastructuur voor het bijhouden van de tijd zou de voortdurende vooruitgang in de timingsystemen die in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, ondersteunen, inclusief communicatie- en navigatiesystemen, " zei Andrew Ludlow, een van de onderzoeksteamleiders van het National Institute of Standards and Technology (NIST), VS. "Het zou ook nauwkeurigere metingen opleveren voor het onderzoeken van fysieke verschijnselen die nog niet volledig zijn begrepen."

Het nieuwe onderzoek wordt gerapporteerd in optiek .

"Optische klokken zijn waarschijnlijk in staat tot veel hogere nauwkeurigheid, waarschijnlijk 10 tot 100 keer beter dan wat we in dit werk hebben gemeten, "zei Ludlow. "Om de ware nauwkeurigheid van deze klokken te bewijzen zonder te worden beperkt door de huidige definitie van een seconde, zijn directe vergelijkingen van hoge kwaliteit nodig tussen verschillende soorten optische klokken."

Waarom een ​​optische klok gebruiken?

Klokken werken door een terugkerende gebeurtenis met een bekende frequentie te tellen, zoals het slingeren van een slinger. Voor traditionele atoomklokken is de terugkerende gebeurtenis de natuurlijke oscillatie van het cesiumatoom, die een frequentie heeft in het microgolfgebied van het elektromagnetische spectrum. Sinds 1967, het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) heeft een seconde gedefinieerd als de tijd die verstrijkt gedurende 9, 192, 631, 770 cycli van het microgolfsignaal geproduceerd door deze oscillaties.

Optische atoomklokken gebruiken atomen zoals ytterbium en strontium die ongeveer 100 oscilleren, 000 keer hoger dan microgolffrequenties, in de optische, of zichtbaar, deel van het elektromagnetische spectrum. Door deze hogere frequenties kunnen optische klokken sneller tikken dan microgolf-atoomklokken, waardoor ze in de loop van de tijd nauwkeuriger en stabieler worden.

"De hogere frequenties die door optische klokken worden gemeten, maken het over het algemeen gemakkelijker om omgevingsinvloeden op de atomen te beheersen, " zei Tara Fortier, een lid van het onderzoeksteam. "Dit voordeel zou uiteindelijk de ontwikkeling mogelijk kunnen maken van compacte optische kloksystemen die relatief hoge prestaties leveren in een breed scala aan toepassingsomgevingen."

Recordnauwkeurigheid bereiken

Om aan te tonen dat de tijd die wordt bijgehouden met een optische klok compatibel is met de huidige standaard cesium-atoomklokken, de onderzoekers hebben de frequentie van een optische ytterbium-atoomklok bij NIST omgezet in het microgolfgebied en vergeleken met een verzameling metingen van cesium-atoomklokken over de hele wereld.

Ze bereikten frequentiemetingen van de optische klok van ytterbium met een onzekerheid van 2,1 X 10-16. Dit komt overeen met het verlies van slechts ongeveer 100 seconden ten opzichte van de leeftijd van het heelal (14 miljard jaar) en vestigt een nieuw nauwkeurigheidsrecord voor cesium-gerefereerde metingen van een optische klok.

Hoewel optische klokken zeer nauwkeurig zijn, ze hebben de neiging om aanzienlijke uitvaltijden te ervaren vanwege hun technische complexiteit en prototypeontwerp. De onderzoekers van NIST gebruikten een groep van acht waterstofmasers om de tijd bij te houden wanneer de optische klok niet werkte. Meesters, die zijn als lasers die werken in het spectrale bereik van microgolven, kan betrouwbaar de tijd bijhouden, maar heeft een beperkte nauwkeurigheid.

"De stabiliteit van de masers - een van de beste lokale tijdschalen ter wereld - is een van de redenen waarom we zo'n nauwkeurige vergelijking met cesium konden maken, " zei Tom Parker, een lid van het onderzoeksteam. Ze verminderden de onzekerheid verder door 79 metingen te doen gedurende 8 maanden. Dit is de eerste keer dat optische klokmetingen over zo'n lange periode zijn gerapporteerd.

Om de limieten van optische klokken beter te begrijpen, de onderzoekers zijn van plan om de optische klok van ytterbium die in dit onderzoek wordt gebruikt, te vergelijken met andere typen optische klokken die bij NIST in ontwikkeling zijn. Eventueel, de NIST-klokken zouden kunnen worden vergeleken met optische klokken in andere landen om te bepalen welke soorten klokken het beste zouden zijn om de SI-seconde opnieuw te definiëren.

De onderzoekers wijzen erop dat het nog enkele jaren op zich laat wachten om de lengte van een seconde te herdefiniëren. Zelfs als het verandert, het toepassen van de nieuwe standaard zou technologie vereisen die signalen van optische klokken over de hele wereld beter verbindt en verzendt op een manier die de stabiliteit en de nauwkeurigheid van de tijd handhaaft.