Kernklok tikt voor de eerste keer

Twee samenwerkende groepen onderzoekers hebben voor het eerst een werkende kernklok ontwikkeld. Deze zal uiteindelijk nauwkeuriger en stabieler worden dan de beste atoomklokken van dit moment. De doorbraak wordt gezien als een belangrijke stap voor precisietijdmeting, navigatiesystemen en fundamenteel natuurkundig onderzoek.

Waar conventionele atoomklokken hun ‘tik’ ontlenen aan energieniveaus van elektronen rond een atoomkern, gebruikt een kernklok een overgang binnen de kern zelf. Omdat een atoomkern veel minder gevoelig is voor invloeden van buitenaf, zoals elektrische en magnetische velden, verwachten onderzoekers dat een kernklok uiteindelijk nog nauwkeuriger kan worden dan bestaande optische atoomklokken.

Thorium-229

De ontwikkeling van een kernklok was jarenlang vooral theoretische fictie. De belangrijkste uitdaging was het vinden van een kernovergang die met lasers beïnvloed kon worden. Thorium-229 bleek daarvoor uitzonderlijk geschikt, omdat het een laag energetische toestand bezit onder invloed van ultraviolet laserlicht.

Twee onafhankelijke onderzoeksteams, in Europa en China, slaagden erin thorium-229-kernen in calciumfluoridekristallen te integreren en deze met nauwkeurig afgestemde lasers aan te sturen. Daarmee konden zij voor het eerst een stabiele frequentiereferentie op basis van een atoomkern realiseren.

Donkere materie

Het Europese team ontwikkelde een kernklok waarbij een laser continu wordt gestabiliseerd op de nucleaire overgang van thorium-229. De klok bereikte een frequentiestabiliteit die na langdurige metingen de prestaties van de beste huidige atoomklokken benadert. Onderzoekers verwachten dat toekomstige generaties nog nauwkeuriger kunnen worden.

Naast tijdmeting biedt de technologie nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek. Zo gebruikte het Europese onderzoeksteam zijn prototype al voor een zoektocht naar signalen van ultralichte donkere materie.

Hoewel de huidige systemen nog experimenteel zijn, zien onderzoekers toepassingen in satellietnavigatie, telecommunicatie, geodesie en precisiesensoren. De eerste werkende kernklokken vormen daarmee het begin van een nieuwe generatie tijdstandaarden die uiteindelijk de huidige atoomklokken kunnen opvolgen.