Nieuw type atoomklok is nog preciezer, nuttig voor onderzoek donkere materie en effect zwaartekracht op tijd

Atoomklokken zijn de nauwkeurigste klokken ter wereld. Ze gebruiken lasers om de trillingen te meten van atomen die oscilleren aan een constante frequentie, alsof ze een groot aantal microscopische slingers zijn die gesynchroniseerd heen en weer bewegen. 

De beste atoomklokken ter wereld meten de tijd zo precies dat ze, als ze sinds het begin van het universum zo'n 13,8 miljard jaar geleden zouden gewerkt hebben, nu slechts ongeveer een halve seconde verkeerd zouden lopen.

En toch zouden ze nog nauwkeuriger kunnen zijn. Als atoomklokken de trillingen van de atomen nauwkeuriger zouden kunnen meten, zouden ze gevoelig genoeg zijn om fenomenen als donkere materie en zwaartekrachtgolven op te sporen. Met betere atoomklokken zouden wetenschappers ook in staat zijn te beginnen met het beantwoorden van een aantal licht verbijsterende vragen, zoals wat het effect zou kunnen zijn van zwaartekracht op het verstrijken van de tijd en of de tijd zelf verandert naarmate het universum ouder wordt. 

Nu hebben natuurkundigen van MIT een nieuw soort atoomklok ontworpen waarvan ze zeggen dat die wetenschappers mogelijk zal toelaten die vragen te onderzoeken en een nieuwe natuurkunde bloot te leggen. 

De onderzoekers hebben een atoomklok gebouwd die geen wolk van willekeurig oscillerende atomen meet, zoals de modernste andere atoomklokken, maar in de plaats daarvan atomen meet die kwantumverstrengeld zijn. De atomen zijn met elkaar verbonden op een manier die volgens de wetten van de klassieke fysica onmogelijk is, en dat stelt de wetenschappers in staat de trillingen van de atomen preciezer te meten. 

Kwantumverstrengeling is een vreemd fysisch verschijnsel waarbij een paar of een groep van deeltjes op zo'n manier met elkaar verbonden zijn dat het onmogelijk is om de kwantumstaat van één afzonderlijk deeltje te bepalen los van de kwantumstaat van het andere deeltje of de andere deeltjes, zelfs als die deeltjes zich op een verre afstand van elkaar bevinden. 

Een ingreep bij een deeltje van een paar verstrengelde deeltjes zal altijd een onmiddellijk gevolg hebben bij het andere deeltje. Twee elektronen kunnen bijvoorbeeld een tegengestelde spin - een bepaalde kwantumeigenschap - hebben, en als er een elektron gemanipuleerd wordt zodanig dat de spin verandert, zal volgens de verstrengelingstheorie het andere elektron onmiddellijk reageren en zijn spin veranderen, zodat de twee elektronen een tegengestelde spin behouden. Albert Einstein, een van de vaders van de kwantumfysica, liep niet erg warm van het fenomeen en hij noemde kwantumverstrengeling spottend 'spookachtige actie op afstand'. 

Het fenomeen mag dan wel volledig tegen elke intuïtie ingaan maar het bestaat wel degelijk, en de nieuwe klok met de verstrengelde atomen kan dezelfde precisie vier keer sneller bereiken dan klokken zonder verstrengeling. 

"Optische atoomklokken die verbeterd zijn door verstrengeling zullen het potentieel hebben om in één seconde een hogere nauwkeurigheid te bereiken dan de meest geavanceerde optische klokken die we nu hebben", zei Edwin Pedrozo-Peñafiel, een postdoctoraal onderzoeker aan MIT en de hoofdauteur van de nu gepubliceerde studie over de atoomklok. 

Als de modernste atoomklokken aangepast zouden worden om verstrengelde atomen te meten op de manier van de MIT-klok, zou hun precisie zodanig verbeteren dat ze gemeten over de hele levensduur van het universum minder dan 100 milliseconden verkeerd zouden lopen. Dat is minder dan een tiende van een seconde, terwijl het bij de klassieke atoomklokken zoals gezegd ongeveer een halve seconde zou zijn, 5 keer meer.

Sinds mensen het verloop van de tijd zijn beginnen meten, hebben ze dat gedaan aan de hand van periodieke verschijnselen, zoals de beweging van de zon door de hemel. Momenteel zijn de trillingen in atomen de meest stabiele periodieke fenomenen die wetenschappers kunnen waarnemen. Daarnaast is het belangrijk dat een cesiumatoom, cesium wordt vaak gebruikt in atoomklokken, zal oscilleren met exact dezelfde frequentie als een ander cesiumatoom. 

Om perfect gelijk te lopen zouden klokken in het ideale geval de trillingen van één enkel atoom moeten volgen. Maar een atoom is zo klein dat het zich gedraagt volgens de mysterieuze regels van de kwantummechanica: als het gemeten wordt gedraagt het zich als een munt die opgeworpen wordt en die enkel de juiste kansen geeft als men het gemiddelde neemt van een groot aantal worpen. Die beperking is wat natuurkundigen de standaard kwantumlimiet noemen.

"Als je het aantal atomen groter maakt, gaat het gemiddelde van al die atomen naar iets dat de juiste waarde geeft", zei medeauteur Simone Colombo. 

Dat is de reden waarom de hedendaagse atoomklokken ontworpen zijn om een gas te meten dat samengesteld is uit duizenden atomen van hetzelfde element, om een schatting te verkrijgen van hun gemiddelde trillingen. Een typische atoomklok doet dit door eerst een systeem van lasers te gebruiken om een gas van extreem gekoelde atomen in een val te dwingen die gevormd wordt door een andere laser. Een tweede erg stabiele laser met een frequentie die dicht bij die van de trillingen van de atomen ligt, wordt dan gebruikt om de trillingen van de atomen te peilen en zo de tijd bij te houden. 

Maar toch geldt ook dan nog steeds de standaard kwantumlimiet, wat betekent dat er nog steeds enige onzekerheid bestaat, zelfs bij duizenden atomen, over hun precieze individuele frequenties. En dat is waar de onderzoekers van MIT aangetoond hebben dat kwantumverstrengeling kan helpen. Algemeen genomen beschrijft kwantumverstrengeling een niet-klassieke fysische staat, waarin atomen in een groep gecorreleerde - met elkaar verbonden - meetresultaten vertonen, ook al gedraagt elk individueel atoom zich als de willekeurige worp van een munt. 

(Overigens, als u hoofdpijn begint te krijgen, denk dan aan wat de beroemde natuurkundige Richard Feynman zou gezegd hebben: "Als je denkt dat je kwantummechanica begrijpt, dan begrijp je kwantummechanica niet".) 

Het team redeneerde dat als de atomen verstrengeld zijn, hun individuele trillingen zich rond een gemeenschappelijke frequentie zouden concentreren, met minder afwijkingen dan wanneer ze niet verstrengeld zouden zijn. En de gemiddelde oscillatie of trilling die een atoomklok zou meten, zou daardoor een precisie hebben die boven de standaard kwantumlimiet uitstijgt. 

In hun nieuwe atoomklok verstrengelden de onderzoekers zo'n 350 atomen van ytterbium, een metaal dat oscilleert aan dezelfde erg hoge frequentie als zichtbaar licht, wat betekent dat een atoom per seconde 100.000 keer vaker trilt dan cesium. Als de trillingen van ytterbium precies opgevolgd kunnen worden, kunnen onderzoekers de atomen gebruiken om steeds kleinere tijdsintervallen te onderscheiden. 

Het team gebruikt standaardtechnieken om de atomen af te koelen en te vangen in een optische holte die gevormd wordt door twee spiegels. Vervolgens sturen ze een laser door de optische holte, waar die heen en weer stuitert tussen de twee spiegels en duizenden keren interageert met de atomen. 

"Het is alsof het licht [van de laser] dient als een communicatieverbinding tussen de atomen", zei medeauteur Chi Su. "Het eerste atoom dat dit licht ziet, zal het licht lichtjes veranderen, en vervolgens verandert dat licht het tweede atoom, en het derde atoom, en na vele cyclussen kennen de atomen elkaar collectief en beginnen ze zich op een gelijkaardige manier te gedragen."

Op die manier zorgen de onderzoekers voor een kwantumverstrengeling van de atomen en dan gebruiken ze een andere laser, zoals in de bestaande atoomklokken, om de gemiddelde frequentie te meten. 

Toen het team een gelijkaardig experiment uitvoerde zonder verstrengelde atomen, ontdekten ze dat de atoomklok met verstrengelde atomen vier keer sneller een gewenste precisie bereikte. 

"Je kan de klok altijd nauwkeurig maken door langer te meten", zei corresponderend auteur van de studie professor Vladan Vuletic. "De vraag is echter, hoe lang heb je nodig om een bepaalde precisie te bereiken. Veel fenomenen moeten in erg korte tijdschalen gemeten worden."

Hij zei dat als de huidige ultramoderne atoomklokken aangepast kunnen worden om kwantumverstrengelde atomen te meten, ze niet alleen beter gelijk zouden lopen, maar ook zouden kunnen helpen bij het ontcijferen van signalen in het universum als zwaartekrachtgolven en donkere materie, en dat men zou kunnen beginnen met het formuleren van antwoorden op een aantal eeuwenoude vragen. 

"Naarmate het universum ouder wordt, verandert de snelheid van het licht? Verandert de lading van het elektron? Dat is wat je kan onderzoeken met nauwkeuriger atoomklokken", zei Vuletic. 

De studie over de nieuwe atoomklok van MIT is deze week gepubliceerd in Nature. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van MIT.