Absolute frequency measurement of the $^{40}$Ca$^{+}$ clock transition using a GNSS link to the SI second

Tijd wordt, in de meest fundamentele zin, gemeten door het tellen van de gestage, ritmische tikken van een atoom. Decennialang is de officiële tijd van de wereld gedefinieerd door de trillingen van cesiumatomen, een standaard die de mensheid goed heeft gediend. Wetenschappers zoeken echter al lang naar een nauwkeurigere manier om de tijd bij te houden, een manier die rust op atomen die op veel hogere snelheden trillen, gebruikmakend van licht in plaats van microgolven. Deze optische atoomklokken zijn zo gevoelig dat ze de kleinste veranderingen in zwaartekracht of het verstrijken van de tijd zelf kunnen detecteren. Om nuttig te zijn, moeten deze klokken worden vergeleken met de officiële tijd die door nationale laboratoria wordt bijgehouden, maar het doen hiervan vereist een brug die het signaal over honderden kilometers kan dragen zonder de precisie te verliezen.

In een recente studie hebben onderzoekers in Innsbruck, Oostenrijk, een dergelijke brug gebouwd om de exacte frequentie van een specifieke klok te meten die gebaseerd is op een enkele calciumion. Ze verbonden hun laboratorium met het primaire tijdmetingscentrum in Braunschweig, Duitsland, via een netwerk van navigatiesatellieten. Door dit te doen, bepaalden zij de absolute frequentie van de calciumklokovergang met een niveau van precisie dat nog nooit eerder voor deze specifieke opstelling was bereikt. Hun werk levert niet alleen een nieuw, zeer nauwkeurig getal op voor hoe snel deze klok tikt, maar corrigeert ook een langdurig verschil in de wetenschappelijke verslaglegging en verfijnt ons begrip van hoe magnetische velden interageren met het atoom.

Het experiment draaide om een enkele calciumion, een atoom dat één elektron heeft verloren, gevangen in een vacuümkamer door onzichtbare elektrische en magnetische krachten. Deze ion fungeert als de slinger van de klok. Om hem te laten tikken, schijnen de onderzoekers een laserstraal van een zeer specifieke kleur, dieprood, op het atoom. Wanneer de frequentie van de laser overeenkomt met de natuurlijke trilling van de ion, absorbeert het atoom de energie en springt het naar een hogere energietoestand. De onderzoekers zoeken naar het exacte moment waarop dit gebeurt, wat plaatsvindt op een frequentie van 411.042.129.776.401,2 hertz. Dit getal vertegenwoordigt het aantal keren dat het atoom elke seconde trilt. Om dit met een dergelijke extreme nauwkeurigheid te meten, moesten zij ervoor zorgen dat geen enkele externe factor, zoals afdwaalende magnetische velden of de hitte van de omgeving, het getal enigszins uit balans bracht.

Om hun lokale klok te verbinden met de internationale standaard, stelde het team een link tot stand met de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, het Duitse nationale metrologische instituut dat helpt bij het definiëren van de gecoördineerde universele tijd. Ze gebruikten een passieve waterstofmaser, een apparaat dat een zeer stabiel signaal genereert, als lokale referentie. Dit signaal werd vervolgens vergeleken met de tijd die door satellieten in het Global Navigation Satellite System wordt bijgehouden. Door de tijd te analyseren die signalen nodig hadden om tussen hun lab, de satellieten en het Duitse laboratorium te reizen, konden zij het precieze verschil berekenen tussen hun lokale klok en de officiële internationale tijd. Deze methode, bekend als Precise Point Positioning, stelde hen in staat de tijdsstandaard over een afstand van enkele honderden kilometers over te dragen met minimale fouten.

De meetcampagne duurde tien dagen in juni 2021. Tijdens deze periode onderzochten de onderzoekers de ion zes verschillende keren, waarbij ze voor elke meting licht verschillende magnetische instellingen gebruikten. Deze slimme strategie stelde hen in staat om verschillende bronnen van fouten te elimineren die dergelijke metingen gewoonlijk teisteren, waaronder verschuivingen veroorzaakt door het aardmagnetisch veld en de elektrische velden binnen de val. Echter ontdekten zij dat een subtiel effect, veroorzaakt door de radiofrequente stromen die worden gebruikt om de ion op zijn plaats te houden, de resultaten nog steeds beïnvloedde. Deze stromen creëren een klein, oscillerend magnetisch veld dat de energieniveaus van het atoom verschuift op een manier die in eerdere metingen niet volledig was meegenomen. Door dit effect zorgvuldig te meten, was het team in staat hun gegevens te corrigeren en ook een nieuwe, nauwkeurigere waarde te berekenen voor een fundamentele eigenschap van het calciumatoom, bekend als de Landé g-factor, die beschrijft hoe het atoom reageert op magnetische velden.

Het uiteindelijke resultaat van hun werk is een meting van de calciumklokovergangsfrequentie met een fractionele onzekerheid van 1,5 maal 10 tot de macht min 15. Om dit niveau van precisie in perspectief te plaatsen: als deze klok zou zijn begonnen te tikken aan het begin van het universum, zou hij vandaag de dag minder dan een seconde afwijken. Dit resultaat plaatst hun meting in overeenstemming met de meest recente studies van andere laboratoria in China en Israël, maar spreekt eerdere metingen van 2009 tot 2012 tegen. De onderzoekers geloven dat de eerdere resultaten minder nauwkeurig waren omdat ze de oscillerende magnetische velden gegenereerd door de val zelf niet volledig hadden meegerekend. Door deze factor toe te voegen, lost de nieuwe meting de onenigheid op en biedt het een betrouwbaardere standaard voor toekomstige tijdmeting.

Naast het specifieke getal demonstreert de studie de kracht van het gebruik van satellietverbindingen om de meest geavanceerde klokken ter wereld te vergelijken. Hoewel glasvezelkabels zelfs een betere stabiliteit kunnen bieden, zijn ze niet altijd praktisch aan te leggen tussen verre steden. De hier gebruikte satellietverbinding biedt een eenvoudigere, meer toegankelijke manier om te verifiëren dat optische klokken over de hele wereld consistent met elkaar zijn. De onderzoekers bevestigden ook dat hun eigen metingen primair werden beperkt door de stabiliteit van hun lokale waterstofmaser, wat suggereert dat toekomstige verbeteringen kunnen worden gerealiseerd door een nog stabielere referentiebron te gebruiken. Dit werk markeert een belangrijke stap voorwaarts in de wereldwijde inspanning om de seconde te herdefiniëren en om deze ongelooflijk precieze klokken te gebruiken om de fundamentele wetten van de fysica te testen.