Natuurkundigen zetten belangrijke stap naar ultraprecieze thorium-kernklok

Een klok die tikt op de atoomkern

Gewone atoomklokken, zoals die in gps-satellieten hangen, meten de trillingen van elektronen rond een atoomkern. Voor een nog stabielere klok kijken natuurkundigen al jaren naar de kern zelf: die zit dieper verstopt in het atoom en is daardoor veel minder gevoelig voor storingen van buitenaf. Het probleem is dat de meeste atoomkernen alleen reageren op extreem energierijke straling, zoals röntgen- of gammastraling, die niet met een laser is op te wekken.

Thorium-229 vormt de uitzondering. Deze isotoop van het metaal thorium heeft een kernovergang van slechts 8,4 elektronvolt, duizenden keren zwakker dan gebruikelijk. Daarmee valt de overgang net binnen het bereik van ultraviolet laserlicht, met een golflengte van 148 nanometer. Onderzoekers zien deze kern daarom als de meest kansrijke kandidaat voor een kernklok: een tijdmeter die nog nauwkeuriger zou moeten zijn dan de beste atoomklokken van nu.

Van felle lichtflitsen naar een zwak, constant straaltje

Eerdere experimenten met thorium-229 gebruikten gepulste lasers, waarbij het benodigde ultraviolette licht werd opgewekt via omzettingstechnieken zoals hoge-harmonischeopwekking. Van al die lichtpulsen was maar een piepklein deel precies op de juiste frequentie om de kern te raken. Bovendien moesten onderzoekers de reactie aflezen via fluorescentie: het zwakke nagloeien van de kern nadat die is aangeslagen. Dat nagloeien dooft pas na ongeveer tien minuten volledig uit, wat metingen traag en onnauwkeurig maakt.

In het nieuwe experiment gebruikte het team een continue, smalbandige laser met een vermogen van minder dan een nanowatt: duizenden keren zwakker dan het lichtje van een laserpointer. Omdat vrijwel elk foton uit deze bundel de juiste frequentie heeft, kunnen de onderzoekers de excitatie meten met absorptiespectroscopie: ze bepalen hoeveel licht het kristal wegvangt terwijl de laserfrequentie wordt afgetast. Die meting reageert vrijwel ogenblikkelijk, in plaats van na tien minuten wachten op fluorescentie. Dat is essentieel voor een werkende klok, die voortdurend en snel moet kunnen aflezen of de laser nog exact op de kernfrequentie staat.

Twee soorten thoriumplekken in het kristal

De onderzoekers brachten thoriumatomen aan in een kristal van calciumfluoride en ontdekten dat de atomen zich op twee verschillende manieren in het rooster nestelen, elk met een net iets andere energie voor de kernovergang. Dat verschil, de isomere verschuiving, vertelt iets over hoe de directe omgeving van de kern die energie beïnvloedt — een effect dat ook bekend is uit de klassieke Mössbauer-spectroscopie, waarbij gammastraling wordt gebruikt om atoomkernen in vaste stoffen te bestuderen.

Bijzonder is dat een van de twee thoriumplekken nauwelijks wordt verstoord door het elektrische veld van de omliggende atomen: de symmetrie rond de kern is er extreem hoog. Zo'n omgeving is gunstig voor een toekomstige klok, omdat de kernfrequentie er nauwelijks verschuift door kleine onregelmatigheden in het kristal. Bij eerder onderzoek met een optische frequentiekam, die duizenden lichtfrequenties tegelijk levert, moesten wetenschappers nog met één nauwelijks te isoleren component uit een woud van signalen werken. De combinatie van een simpele, continue laser met een goed te reproduceren kristalomgeving maakt de weg vrij voor compactere en stabielere opstellingen.

Een volledig werkende kernklok is er nog niet, maar met een detectiemethode die niet langer op trage fluorescentie leunt, is een belangrijke technische horde genomen. Onderzoekers verwachten dat zo'n klok ooit gevoelig genoeg is om subtiele veranderingen in fundamentele natuurconstanten op te sporen en tegelijk robuust genoeg om buiten het laboratorium te gebruiken.