In een significante vooruitgang in de richting van de toekomstige herdefiniëring van de internationale tijdseenheid, de seconde, een onderzoeksteam onder leiding van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft drie van 's werelds toonaangevende atoomklokken met recordnauwkeurigheid vergeleken over zowel lucht- als glasvezelverbindingen.

Beschreven in het nummer van 25 maart van Natuur , het door NIST geleide werk is het eerste dat drie klokken vergelijkt, gebaseerd op verschillende atomen, en de eerste die de meest geavanceerde atoomklokken op verschillende locaties via de ether met elkaar verbindt. Deze atoomklokvergelijkingen plaatsen de wetenschappelijke gemeenschap een stap dichter bij het voldoen aan de richtlijnen voor herdefinitie van de tweede.

"Deze vergelijkingen definiëren echt de stand van de techniek voor zowel op glasvezel gebaseerde als vrije-ruimtemetingen - ze zijn allemaal bijna 10 keer nauwkeuriger dan alle klokvergelijkingen met verschillende atomen die tot nu toe zijn uitgevoerd, "NIST-natuurkundige David Hume zei.

De nieuwe metingen waren een uitdaging omdat de drie soorten atomen met enorm verschillende frequenties "tikken", omdat alle vele netwerkcomponenten uiterst nauwkeurig moesten werken, en omdat de draadloze verbinding geavanceerde lasertechnologie en ontwerp vereiste.

De studie vergeleek de aluminium-ionenklok en de ytterbium-roosterklok, gevestigd in verschillende laboratoria bij NIST Boulder, met de strontiumroosterklok op 1,5 kilometer afstand bij JILA, een gezamenlijk instituut van NIST en de Universiteit van Colorado Boulder. De metingen van het team waren zo nauwkeurig dat de onzekerheden slechts 6 tot 8 delen waren in 10 ¹⁸ -dat is, fouten nooit meer dan 0,00000000000000000008—voor zowel glasvezel als draadloze verbindingen.

NIST-onderzoekers beschreven eerder hoe ze tijdsignalen over de luchtverbinding tussen twee van de klokken overbrachten, de NIST ytterbium en JILA strontium klokken, en ontdekte dat het proces net zo goed werkte als de op vezels gebaseerde methode en 1, 000 keer nauwkeuriger dan conventionele draadloze overdrachtschema's. Dit werk laat zien hoe de beste atoomklokken kunnen worden gesynchroniseerd over afgelegen locaties op aarde en, omdat tijdsignalen over langere afstanden worden overgedragen, zelfs tussen ruimtevaartuigen.

De sleutel tot de luchtverbinding was het gebruik van optische frequentiekammen, die nauwkeurige vergelijkingen van zeer verschillende frequenties mogelijk maken. NIST-onderzoekers ontwikkelden tweerichtingsoverdrachtsmethoden om optische klokken via de ether nauwkeurig te vergelijken, zelfs in omstandigheden van atmosferische turbulentie en laboratoriumtrillingen. De op kammen gebaseerde signaaloverdrachtstechniek was eerder gedemonstreerd, maar het nieuwste werk was de eerste die state-of-the-art atoomklokken met elkaar vergelijkt.

Sinds 1967, de tweede is gedefinieerd op basis van het cesiumatoom, die tikt met een microgolffrequentie. De atoomklokken die in de nieuwe vergelijkingen worden gebruikt, tikken op veel hogere optische frequenties, die de tijd in kleinere eenheden verdelen en zo een grotere precisie bieden. Vergelijkingen zijn cruciaal voor de selectie van een of meer atomen door de internationale gemeenschap als de volgende tijdstandaard.

De nieuwe NIST-resultaten gerapporteerd in Natuur vestigde ook andere belangrijke records. Frequentie is de meest nauwkeurig gemeten enkele grootheid in de wetenschap. Het NIST-team heeft frequentieverhoudingen gemeten, de kwantitatieve relaties tussen de frequenties van de atomen zoals gemeten in drie paren (ytterbium-strontium, ytterbium-aluminium, aluminium-strontium). De resultaten zijn de drie meest nauwkeurige metingen die ooit zijn gedaan van natuurlijke constanten. Frequentieverhoudingen worden als constanten beschouwd en worden gebruikt in sommige internationale normen en tests van fundamentele natuurkundige theorieën.

Frequentieverhoudingen bieden een belangrijk voordeel als metriek voor het evalueren van optische atoomklokken. Een directe meting van een optische klokfrequentie in de gebruikelijke eenheden van Hertz wordt beperkt door de nauwkeurigheid van de huidige internationale standaard, de cesium-microgolfklok. Frequentieverhoudingen overwinnen deze beperking omdat ze niet in eenheden worden uitgedrukt.

Frequentieverhoudingen worden meestal over lange afstanden gemeten door gebruik te maken van glasvezelnetwerken, die er maar weinig zijn, of in sommige gevallen met microgolfgegevens die via satellietverbindingen worden verzonden, die vaak instabiel zijn.

Richtlijnen voor herdefinitie van de tweede bevelen de demonstratie en verificatie aan van metingen van meerdere frequentieverhoudingen met onzekerheden die de beste optische klokprestaties benaderen. Alle drie de typen klokken in de nieuwe studie bieden nu overtreffende trap en beloven verdere verbeteringen. NIST's ytterbium klokken, bijvoorbeeld, vertegenwoordigen de natuurlijke frequentie van de atomen (een waarde die bekend staat als systematische onzekerheid) tot binnen een mogelijke fout van slechts 1,4 delen op 10 ¹⁸ — ongeveer een miljardste van een miljardste.

NIST's nieuwe frequentieverhoudingsmetingen, terwijl record-setting, zijn nog niet zo goed. Maar het onderzoeksteam werkt aan het verbeteren van de meetstabiliteit en klokprestaties, zei Hume.

Naast hun rol in de volgende generatie internationale normen, optische atoomklokken kunnen worden gebruikt als gevoelige sondes voor nieuwe fysica, zoals de "donkere materie" waarvan wordt aangenomen dat het de meeste dingen in het universum vormt. Technologische toepassingen voor optische klokken zijn onder meer verbeterde timing- en navigatiesystemen en het meten van de zwaartekrachtvorm van de aarde (geodesie).