Optical Signals Synthesized from an Optical Lattice Clock with Uncertainty of 1.3E-17

Tijd is de meest fundamentele valuta die we hebben, maar onze beste manier om deze te meten is al lang beperkt door de trage, zware tik van een slinger gemaakt van vibrerende atomen. Decennialang vertrouwde de internationale standaard voor een seconde op microgolfsignalen van cesiumatomen, een methode die weliswaar betrouwbaar is, maar een kleine foutmarge achterlaat die over de tijd oploopt. Wetenschappers dromen al lang van een betere klok, een die gebruikmaakt van de veel snellere trillingen van het licht zelf. Deze "optische klokken" zijn zo precies dat als er een sinds het begin van het universum had gelopen, deze vandaag de dag minder dan een seconde zou afwijken. Een klok die echter te snel is, is nutteloos als we haar snelle getik niet kunnen vertalen naar een signaal dat we voor andere doeleinden kunnen gebruiken. Om deze kloof te overbruggen, hebben onderzoekers een apparaat nodig dat de ultra-precieze hartslag van een optische klok kan nemen en deze kan vertragen, of versnellen, om een nieuwe, stabiele laserstraal te creëren in elke kleur die de gebruiker wenst, zonder daarbij die ongelooflijke nauwkeurigheid te verliezen. Dit apparaat wordt een optische frequentiesynthesizer genoemd, en het is de sleutel tot het omzetten van de meest precieze klokken ter wereld in praktische instrumenten voor de wetenschap.

Een team van onderzoekers aan de East China Normal University in Shanghai heeft nu zo'n apparaat gebouwd en aangetoond dat het met buitengewone trouw werkt. Ze creëerden een systeem dat het signaal van hun eigen, hypermoderne ytterbium optische roosterklok neemt en dit gebruikt om een nieuwe, enkelvoudige frequentie laserstraal te genereren. De schoonheid van hun werk ligt in het feit dat de nieuwe laser de perfectie van de oorspronkelijke klok erft. De onderzoekers stelden vast dat de onzekerheid van hun uiteindelijke signaal ongelooflijk klein is, namelijk slechts 1,3 maal 10 tot de macht negatief 17. Om dit in perspectief te plaatsen: als deze klok gedurende de gehele leeftijd van het universum zou hebben gelopen, zou hij minder dan een seconde hebben verloren. Dit niveau van precisie betekent dat het apparaat nu kan dienen als een meesterreferentie, in staat om stabiel licht te produceren bij bijna elke golflengte die wetenschappers nodig zouden kunnen hebben, van het zichtbare spectrum tot het infrarood, terwijl de strikte nauwkeurigheid van de klok zelf behouden blijft.

De kern van deze prestatie is een slimme methode om de frequentie van de klok te verdelen. Stel je het licht van de klok voor als een hogesnelheidstrein die over een spoor rijdt. De onderzoekers wilden een nieuwe trein creëren die met een specifieke, lagere snelheid beweegt, maar ze wilden ervoor zorgen dat de nieuwe trein nooit van het spoor raakte. Ze gebruikten een hulpmiddel genaamd een optische frequentiekam, die fungeert als een precieze liniaal gemaakt van licht, om de frequentie van de klok te meten en te verdelen. Door hun outputlaser te koppelen aan deze liniaal, zorgden ze ervoor dat elke kleine wankeling in de klok perfect werd overgedragen naar de nieuwe laser. Het systeem is zo stabiel dat de fouten die tijdens het verdelingsproces worden geïntroduceerd verwaarloosbaar zijn, veel kleiner dan de natuurlijke limieten van de klok zelf. Dit betekent dat de kwaliteit van de output bijna volledig wordt bepaald door de kwaliteit van de klok, die in dit geval een van de beste ter wereld is.

Om te begrijpen waarom dit resultaat zo significant is, moet men naar de klok zelf kijken. De onderzoekers gebruikten een rooster van licht om duizenden ytterbiumatomen te vangen, waardoor ze stil konden worden gehouden zodat ze gemeten konden worden zonder de interferentie van hitte of beweging. Ze koelden deze atomen af tot temperaturen die slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt liggen, met behulp van een techniek genaamd zijbandkoeling (sideband cooling) om ze in hun laagst mogelijke energietoestand te laten rusten. Zelfs bij deze extreme temperaturen worden de atomen nog steeds beïnvloed door hun omgeving. De onderzoekers moesten rekening houden met de warmte die uitstraalt van de wanden van hun vacuümkamer, bekend als zwartlichaamstraling, wat de atomen enigszins kan beïnvloeden en de tik van de klok kan veranderen. Ze moesten ook de lichtverschuiving corrigeren die wordt veroorzaakt door de lasers die de atomen op hun plaats houden. Door deze effecten zorgvuldig te meten en te corrigeren, bepaalden zij dat hun klok primair wordt beperkt door deze twee factoren: de hitte van de kamer en het licht dat de atomen vasthoudt.

Het team heeft de machine niet alleen gebouwd; ze hebben elke mogelijke bron van fouten rigoureus getest om precies te weten hoe goed deze was. Ze maten de temperatuur van hun vacuümkamer met precisiesensoren en berekenden het effect van de warmtestraling, waarbij ze vaststelden dat dit de grootste bron van onzekerheid was. Ze analyseerden ook de lichtverschuivingen van het rooster en de sonde-lasers, om er zeker van te zijn dat de atomen niet op een manier werden geduwd of getrokken die de tijdmeting zou verstoren. Ze controleerden zelfs de invloed van afwijkende magnetische velden en botsingen met achtergrondgas. Na rekening te hebben gehouden voor elke bekende factor, bleef de totale onzekerheid op die opmerkelijke 1,3 maal 10 tot de macht -17. Dit niveau van zekerheid bewijst dat de optische frequentiesynthesizer niet slechts een theoretisch concept is, maar een werkende realiteit die nu kan worden gebruikt om het universum met ongekende gevoeligheid te verkennen.

De implicaties van dit werk reiken veel verder dan het bijhouden van een betere tijd. Met een instrument dat licht met een dergelijke nauwkeurigheid op elke frequentie kan genereren, kunnen wetenschappers nu zoeken naar veranderingen in de fundamentele constanten van de natuur, op zoek naar tekenen dat de wetten van de fysica in de loop van de tijd kunnen verschuiven. Het opent de deur naar het detecteren van donkere materie en het testen van zwaartekrachttheorieën met een precisie die voorheen onmogelijk was. De onderzoekers kijken al vooruit en plannen om hun klok verder te verbeteren door de atomen nog effectiever af te schermen tegen hitte en elektrische velden, met als doel de onzekerheid terug te brengen naar het niveau van 10 tot de macht -18. Voor nu hebben zij succesvol aangetoond dat de brug tussen de ultrasnelle wereld van optische klokken en de praktische wereld van bruikbare lasers solide, stabiel en klaar is voor de volgende grote ontdekkingen in de natuurkunde.