De toekomst van tijdmeting - Vacuümtechniek is essentieel voor optische atoomklokken

De toekomst van tijdmeting - Vacuümtechniek is essentieel voor optische atoomklokken

Vacuümkamers, die vrij zwevende atomen bevatten, bevinden zich in het hart van de meest precieze instrumenten die vandaag de dag gebruikt worden om de tijd te meten. Laserpulsen fungeren als tijdgenerator voor de nieuwste generatie atoomklokken. Ze zijn ongelooflijk nauwkeurig.

Wat is tijd? Natuurkundigen en filosofen kunnen deze vraag beantwoorden. Maar dit weerhoudt de mens er niet van om tijd in intervallen te verdelen en deze zo nauwkeurig mogelijk te meten. Tijdbewakers zoals de oude zonnewijzers of de mechanische torenklokken uit de middeleeuwen waren belangrijke ontwikkelingsmijlpalen voor de manier waarop we tegenwoordig de tijd meten. Een belangrijke technische vooruitgang werd bereikt door de wiskundige en natuurkundige Christian Huygens in de 17e eeuw. Zijn pendule deelde de tijd voor het eerst nauwkeurig in in uren, minuten en seconden. Sindsdien zijn steeds meer nauwkeurige meetinstrumenten ontwikkeld. Tegenwoordig zijn op cesium gebaseerde atoomklokken de basis voor de officiële gestandaardiseerde universele tijd. Deze klokken verliezen slechts één seconde per 30 miljoen jaar.

Op cesium gebaseerde atoomklokken bewaken de wereldtijd

Deze moderne tijdbewakers hebben geen slinger of wijzers, maar in plaats daarvan ‘tikken' cesiumatomen de tijd weg. Ze worden verwarmd totdat ze koken en worden dan naar een buis met een hoog vacuüm verplaatst. De lage druk zorgt dat de atomen niet met elkaar in botsing komen en met hoge energie de kamer passeren. Vervolgens worden de atomen blootgesteld aan microgolfstraling. De juiste frequentie, die door natuurkundigen de resonantiefrequentie wordt genoemd, verandert de energiestatus van enkele atomen. Deze worden "opgewekt" en geteld door een detector.

De microgolffrequenties worden nu bijgesteld totdat de energiestatus van het grootst mogelijke aantal cesiumatomen verandert. Dit gebeurt betrouwbaar bij 9.192.631.770 hertz, dus bij meer dan negen miljard oscillaties per seconde. Dit betekent dat elke keer dat dit aantal bereikt wordt, één seconde wegtikt. Daarom is dit de basis voor het definiëren van de lengte van een seconde in het Internationale Stelsel van Eenheden, SI.

Nog nauwkeuriger met lasers

Naast op cesium gebaseerde klokken worden er tegenwoordig ook op cesium gebaseerde fonteinklokken gebruikt als referentieklokken voor de universele tijd. In deze klokken worden cesiumatomen in de vacuümkamer gebracht – op een manier die lijkt op een fontein – voordat ze worden bestraald met de microgolven. Omdat de resonantiefrequentie van de atomen op deze manier nog nauwkeuriger kan worden bepaald, verliezen fonteinklokken maximaal slechts één seconde in 40 miljoen jaar.

Optische atoomklokken die bijvoorbeeld strontium- of ytterbiumatomen gebruiken zijn zelfs nóg nauwkeuriger. In plaats van microgolven te gebruiken, worden de atomen opgewekt met behulp van lasers, ook in een ultrahoog vacuüm. De lichtfrequentie die ontstaat wanneer de energiestatus van één atoom wijzigt, dient als referentie voor de lengte van een seconde. De frequentie is hoger en de overdrachtsfrequentie van elektronen is sneller, zodat tijd kan worden verdeeld in nog kleinere intervallen. De optische klokken ‘tikken' veel sneller en met meer nauwkeurige intervallen dan op cesium gebaseerde klokken. Deze klokken worden mogelijk de nieuwe tijdbewakers voor de universele tijd, waardoor de tijdseenheid die wij kennen als een seconde opnieuw gedefinieerd moet worden. Ongeacht het proces vereisen alle typen atoomklokken een vacuümkamer voor hun referentieatomen.


Bijna niemand is zich bewust van het feit dat atoomklokken al lang het ritme van ons dagelijks leven bepalen, bijvoorbeeld door de tijd in te stellen voor radiogestuurde klokken en klokken op treinstations. GPS-systemen zouden geen betrouwbare navigatie kunnen garanderen zonder atoomtijdbewakers: GPS-ontvangers, zoals het navigatiesysteem in onze auto, registreren voortdurend informatie van GPS-satellieten die hun respectievelijke positie en tijd doorgeven. De ontvanger gebruikt gegevens van drie satellieten om zijn exacte positie te vinden door het verschil te berekenen tussen het verzenden en ontvangen van de signalen. Een afwijking van slechts één miljoenste van een seconde zou al tot een verschil van 300 meter leiden.

Atoomklokken zijn ook nodig voor het synchroniseren van hogesnelheidsdatanetwerken. Lange optische glasvezelkabels moeten het versturen en ontvangen uiterst nauwkeurig coördineren om chaos te voorkomen.

Hyperexacte meting van tijd is ook nodig voor geodetische toepassingen en basisonderzoek. De nieuwste generatie atoomklokken helpt bij het meten van Einsteins vooronderstelling over hoe tijd wordt uitgerekt door de zwaartekracht van de aarde, en kan ons helpen donkere materie te lokaliseren.


Abonneer u op de "World of Vacuum"-nieuwsbrief!
Abonneer u nu en blijf up-to-date met het laatste fascinerende nieuws op het gebied van vacuüm.

ABONNEREN

Wilt u meer weten?
We geven u graag meer informatie. Contact Busch Nederland:
+31 (0)348 46 23 00 Neem contact met ons op