Optische klok verlaat het laboratorium

Optische klokken mogen dan over een periode van zo’n honderd miljoen jaar nog geen seconde achterlopen, in de praktijk heb je daar niet veel aan als je hun aanwijzing niet kunt vergelijken met die van andere klokken. Want deze klokken zijn zo groot en gevoelig dat ze niet te vervoeren zijn. Daarom is het belangrijk dat Nathan Newbury c.s. van het National Institute of Standards and Technology in Boulder er in is geslaagd om het signaal van een optische klok ongeschonden te versturen via een glasvezel over een afstand van een paar honderd meter. Naast praktische toepassingen als het nauwkeuriger maken van het GPS-systeem, bieden dit soort optische klokken ook de mogelijkheid om fundamentele wetenschappelijke theorieën te testen (Nature Photonics, 1 mei).

Optische klokken maken gebruik van lasers die ultrasnelle pulsen produceren. Laserlicht gedraagt zich in dat geval anders dan normaal. Waar een gewone, continue laser licht van één, nauwkeurig bepaalde kleur produceert – typisch kenmerk van een laser – bevat elke flits van zo'n pulslaser letterlijk alle kleuren van de regenboog. Toch zijn binnen dat brede kleurenspectrum niet alle frequenties toegestaan. Alleen die kleuren waarvan de golflengte precies past tussen de (evenwijdige) spiegels van de laser worden versterkt, alle andere doven uit (interferentie). De laser produceert aldus honderdduizenden verschillende laserlijntjes van het infrarood tot aan het ultraviolet. Al die lijntjes liggen in frequentie precies even ver van elkaar af: ze vormen samen een optische liniaal met maatstreepjes. Met behulp van zo'n verfijnde kleurenstraal is het mogelijk een onbekende frequentie – zoals de absorptielijn van een atoom – nauwkeurig te bepalen. Daarvoor verschuif je de optische liniaal totdat één van de maatstreepjes precies samenvalt met een absorptielijn. Het aflezen van de frequentie komt dan neer op streepjes tellen. De precisie waarmee dat kan – en daarmee de precisie van de optische klok – is vele malen beter dan die van de beste atoomklokken.

Newbury en zijn collega’s maakten gebruik van de modernste technieken om de tikken van hun klok over te dragen op een infrarode laserbundel die door een glasvezel kan worden verstuurd. Toen deze infrarode bundel 750 meter verder weer naar buiten kwam, bleek de nauwkeurigheid van de frequentie niet te zijn veranderd. De onderzoekers hopen ditzelfde kunstje over een afstand van tientallen kilometers te herhalen. Dat kunnen optische klokken in verschillende laboratoria met elkaar orden vergeleken en komt het tot een betere definitie van de seconde. Het GPS-systeem, dat plaatsbepalingen doet op basis van minieme tijdsverschillen tussen satelliet-signalen, zou zó nauwkeurig en zo snel kunnen worden dat het mogelijk wordt er auto’s op afstand mee te kunnen besturen. Veel interessanter is de mogelijkheid om precisiemetingen te kunnen doen, bijvoorbeeld aan donkere lijnen in het spectrum van verafgelegen quasars. Dat spectrum geeft de golflengte weer zoals die een paar miljard jaar geleden is geweest. Als die golflengte anders is dan nu in het laboratorium wordt gemeten, betekent het dat een fundamentele constante binnen de quantummechanica helemaal niet constant is, en dat ook de lichtsnelheid niet altijd dezelfde waarde heeft gehad – in tegenspraak met de voorspellingen van de Relativiteitstheorie. Rob van den Berg