Atoomklokken worden over de hele wereld gebruikt om de tijd precies te bepalen. Elke "tikje" van de klok hangt af van atomaire trillingen en hun effecten op omringende elektromagnetische velden. Standaard atoomklokken die tegenwoordig in gebruik zijn, gebaseerd op het atoom cesium, vertel de tijd door radiofrequenties te "tellen". Deze klokken kunnen de tijd meten tot op één seconde per honderd miljoen jaar. Nieuwere atoomklokken die optische lichtfrequenties meten, zijn nog nauwkeuriger, en kan uiteindelijk de radiogebaseerde vervangen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Caltech en het Jet Propulsion Laboratory (JPL), die wordt beheerd door Caltech voor NASA, hebben een nieuw ontwerp bedacht voor een optische atoomklok die belooft de meest nauwkeurige en nauwkeurige ooit te zijn (nauwkeurigheid verwijst naar het vermogen van de klok om de tijd correct vast te stellen, en precisie verwijst naar het vermogen om de tijd tot in de kleinste details te vertellen). Bijgenaamd de "pincetklok, " het maakt gebruik van technologie waarbij zogenaamde laserpincetten worden gebruikt om individuele atomen te manipuleren.

"Een van de doelen van natuurkundigen is om de tijd zo precies mogelijk te kunnen vertellen, " zegt Manuel Endres, een assistent-professor natuurkunde bij Caltech die een nieuw artikel leidde waarin de resultaten in het tijdschrift werden beschreven Fysieke beoordeling X . Endres legt uit dat hoewel de ultraprecieze klokken misschien niet nodig zijn voor dagelijkse doeleinden van het tellen van de tijd, ze kunnen leiden tot vooruitgang in fundamenteel natuurkundig onderzoek en tot nieuwe technologieën die nog moeten worden bedacht.

Het nieuwe klokontwerp bouwt voort op twee soorten optische atoomklokken die al in gebruik zijn. Het eerste type is gebaseerd op een enkel ingesloten geladen atoom, of ion, terwijl de tweede duizenden neutrale atomen gebruikt die gevangen zitten in wat een optisch rooster wordt genoemd. In de trap-ion-benadering, slechts één atoom (het ion) hoeft nauwkeurig te worden geïsoleerd en gecontroleerd, en dit verbetert de nauwkeurigheid van de klok. Anderzijds, de optische roosterbenadering profiteert van het hebben van meerdere atomen - met meer atomen zijn er minder onzekerheden die optreden als gevolg van willekeurige kwantumfluctuaties van individuele atomen.

Het atoomklokontwerp van de groep van Endres combineert in wezen de voordelen van de twee ontwerpen, profiteren van beide. In plaats van een verzameling van vele atomen te gebruiken, zoals het geval is met de optische roosterbenadering, het nieuwe ontwerp gebruikt 40 atomen - en die atomen worden nauwkeurig gecontroleerd met een laserpincet. In dit verband, het nieuwe ontwerp profiteert niet alleen van het hebben van meerdere atomen, maar ook doordat onderzoekers die atomen kunnen controleren.

"Deze benadering overbrugt twee takken van de natuurkunde:controletechnieken met één atoom en precisiemeting, " zegt Ivaylo Madjarov, een afgestudeerde student van Caltech en hoofdauteur van de nieuwe studie. "We pionieren met een nieuw platform voor atoomklokken."

Madjarov legt uit dat, in het algemeen, de atomen in atoomklokken werken als stemvorken om de elektromagnetische frequenties te helpen stabiliseren, of laserlicht. "De oscillaties van ons laserlicht werken als een slinger die het verstrijken van de tijd telt. De atomen zijn een zeer betrouwbare referentie die ervoor zorgt dat de slinger met een constante snelheid zwaait."

Het team zegt dat het nieuwe systeem bij uitstek geschikt is voor toekomstig onderzoek naar kwantumtechnologieën. De atomen in deze systemen kunnen verstrengeld raken, of wereldwijd verbonden, en deze verstrengelde toestand kan de klok verder stabiliseren. "Onze aanpak kan ook een brug slaan naar kwantumberekenings- en communicatiearchitecturen, ", zegt Endres. "Door verschillende technieken in de natuurkunde samen te voegen, we zijn een nieuwe grens ingegaan."

De Fysieke beoordeling X papier is getiteld, "Een Atomic Array Optical Clock met Single-Atom Readout."