Fysici verkleinen de atoomklok tot het formaat polshorloge

Binnenkort kan iedereen over een atoomklok beschikken, die per driehonderd jaar minder dan een seconde verkeerd loopt. Voor het dagelijks gebruik is dat nauwelijks zinvol, maar ingebouwd in GPS-scanners zorgen dit soort ultra-nauwkeurige tijdmeters ervoor dat het eenvoudiger wordt je plaats te bepalen, terwijl ze in mobiele telefoons afluisteren zo goed als onmogelijk maken (Applied Physics Letters, 30 augustus).

Een atoomklok dankt zijn nauwkeurigheid aan de stabiliteit van de trillingen in een atoom. In de traditionele atoomklok worden cesiumatomen bestraald met microgolven. Wanneer die de juiste frequentie hebben, absorberen de atomen de microgolven en gaan ze over in een hogere energietoestand. De absorptie is maximaal als de frequentie van de microgolven precies aansluit bij de natuurlijke frequentie van het atoom (9.192.631.770 trillingen per seconde). Door het aantal trillingen te tellen kan de tijd zeer nauwkeurig worden bepaald.

Normaal gesproken heeft een atoomklok de afmetingen van een klerenkast, maar er bestaan ook kleinere versies ter grootte van een schoenendoos. De cesiumatomen bevinden zich dan in een meetcelletje van een paar centimeter doorsnee. Veel kleiner dan dat is met microgolven echter niet mogelijk, omdat die een golflengte hebben van een paar centimeter en dus niet meer in het celletje passen. Daarom maakten Leo Hollberg en zijn medewerkers van het National Institute of Standards in Boulder, Colorado gebruik van lichtgolven uit een halfgeleiderlaser, die een veel kleinere golflengte hebben, en net zo goed cesiumatomen in een hogere toestand kunnen brengen.

Met behulp van standaardtechnieken uit de chipsindustrie etsten de onderzoekers een miniatuur cesiumcelletje in een plaatje silicium. Om uit een relatief beperkte hoeveelheid atomen toch voldoende signaal te krijgen, werd dit celletje verwarmd tot zo'n tachtig graden Celsius, zodat er meer cesiumdamp vrij kwam. Een nadeel daarvan is dat de atomen vaker met elkaar botsen, waardoor de nauwkeurigheid afneemt. Desondanks is het apparaatje – dat niet veel groter is dan een rijstkorrel en volgens de onderzoekers in massaproductie niet meer dan honderd dollar zal kosten – al beter dan bestaande klokken van vele tienduizenden dollars.

De meest waarschijnlijke toepassing van dit soort miniatuurklokken is bij de plaatsbepaling met behulp van GPS satellieten. Om op een willekeurige plaats op aarde je exacte positie te bepalen, zijn tenminste vier satellieten nodig: twee voor de lengte- en breedtegraad, een voor de hoogte en een die dient als tijdsreferentie bij de berekeningen. Een GPS scanner met een eigen atoomklok zou dat laatste signaal niet meer nodig hebben, waardoor het eenvoudiger wordt je positie te bepalen, met name in stedelijk gebied waar gebouwen het zicht op satellieten vaak bemoeilijken.