Onderzoekers hebben experimenteel een eigenschap van cadmium vastgesteld, de magische golflengte genaamd, die als essentieel wordt beschouwd voor de ontwikkeling van de meest nauwkeurige klokken die ooit zijn voorzien. De onderzoekers hopen dat dit eenvoudige en robuuste atoomklokken mogelijk maakt die zo nauwkeurig zijn dat ze kunnen worden gebruikt om ons begrip van huidige theorieën te verbeteren en zelfs om nieuwe fysica te testen.

Hoe laat maak je het? Hoe zit het nu? De tijd verandert constant, maar het verandert niet constant. Het klinkt verwarrend, maar sinds de tijd van Einstein weten we dat de tijd met verschillende snelheden voortschrijdt, afhankelijk van waar je bent. Dit komt voornamelijk door het effect van de zwaartekracht, hoe sterker de zwaartekracht in uw buurt is, hoe langzamer de tijd verloopt ten opzichte van waar de zwaartekracht zwakker is. Voor ons is dit verschil niet waarneembaar, maar zeer nauwkeurige atoomklokken kunnen het meten.

Deze onmerkbare verschillen in de snelheid van het verstrijken van de tijd zijn echter verre van triviaal. Nauwkeurige tijdmetingen kunnen onderzoekers zelfs helpen om andere overeenkomstige grootheden te meten die betrekking hebben op hoe de tijd op een specifieke locatie stroomt. Bijvoorbeeld gezien de manier waarop verhoogde zwaartekracht het verstrijken van de tijd verandert, de dichtheid van materiaal onder je voeten zou nauwkeurig kunnen worden gemeten met een voldoende nauwkeurige klok. En dit soort informatie kan nuttig zijn voor degenen die vulkanen bestuderen, platentektoniek en aardbevingen.

Echter, om de tijd te meten met de nauwkeurigheid die nodig is voor dergelijke doeleinden is een enorm complexe uitdaging. State-of-the-art atoomklokken gebaseerd op de vibratie van atomen zoals cesium, bijvoorbeeld, werken met een onzekerheid - het tegenovergestelde van nauwkeurigheid - in het gebied van 1 x 10 ^-16 of tot 16 cijfers achter de komma. Dit is uiterst nauwkeurig voor het meten van afstand, en wordt dus gebruikt in de huidige GPS-technologie (Global Positioning System). Maar onderzoekers streven naar nog grotere nauwkeurigheid, en één soort klok kan onzekerheden bieden van slechts 1 x 10 ^-19 of tot 19 decimalen. De optische roosterklok belooft een dergelijke nauwkeurigheid te bieden.

Voor het eerst voorgesteld door professor Hidetoshi Katori van de faculteit Technische Natuurkunde in 2001, het idee is om een ​​groot aantal atomen op te sluiten in een rooster van lasers. Met veel opgesloten atomen kunnen hun trillingen tegelijkertijd worden gemeten, wat de nauwkeurigheid van het meten van tijd aanzienlijk verbetert. Isotopen van cadmium zijn ideaal omdat ze een aantal eigenschappen hebben die helpen om ruis in dit soort kwantumsystemen te verminderen. Maar om een ​​klok te maken op basis van dit principe zijn er verschillende hindernissen te overwinnen, en onderzoekers hebben er net een gesprongen.

"We hebben experimenteel de zogenaamde 'magische golflengte' voor cadmium bepaald, wat een van de essentiële parameters is om de optische roosterklok te laten werken, " zei onderzoeker Atsushi Yamaguchi van RIKEN. "In een roosterklok wordt het optische rooster gecreëerd door interferentiepatronen van laserlicht, waarvan de golflengte gerelateerd is aan de atomen die het rooster moet bevatten. De optimale of 'magische' golflengte om een ​​rooster rond cadmiumisotopen te construeren is ongeveer 419,88 nanometer, dat is bijna precies de waarde van 420,10 nanometer die we oorspronkelijk hadden voorspeld."

Een belangrijk kenmerk van cadmiumisotopen, waardoor ze ideaal zijn voor roosterklokken, is dat ze beter bestand zijn tegen veranderingen in hun omgeving dan veel andere atomen en isotopen. Een toepassing die onderzoekers nastreven, is de mogelijkheid om metingen te doen op verschillende locaties met hetzelfde apparaat, wat betekent dat het relatief draagbaar moet zijn, dus het helpt om robuust te zijn. Met de theorie in huis, onderzoekers willen nu de prestaties van zo'n klok evalueren.

"Zorgvuldige en gedetailleerde evaluatie is vereist, zodat wetenschappers op verschillende gebieden gebruik kunnen maken van dit uiterst nauwkeurige instrument, " legde Katori uit. "Zo'n apparaat zal ons de kans geven om gevestigde ideeën in de kosmologie, zoals de algemene relativiteitstheorie en misschien zelfs de fundamentele constanten van de natuur, te bestuderen en misschien ooit uit te dagen."