Met twee atoomklokken is het land in kaart te brengen

Natuurkunde

Atoomklokken zijn nu zo nauwkeurig dat ze hoogteverschillen van één centimeter kunnen meten. Handig om het aardoppervlak in kaart te brengen.

Eén van de atoomklokken, gebouwd door onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology in de VS. In de toekomst moeten de klokken klein en handzaam worden. Foto NIST/Burrus

Klokken gebruiken om het landschap in kaart te brengen én om minieme hoogteverschillen te bepalen. Dat kan nu, met twee zogeheten atoomklokken. Als de ene klok zich dichter bij de aarde bevindt dan de andere, zal die net iets sterker het zwaartekrachteffect ondervinden en net ietsje langzamer tikken. Uit het tijdsverschil is vervolgens het hoogteverschil af te leiden.

Dat beschrijven onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) deze woensdag in Nature. Ze hebben de meting niet daadwerkelijk uitgevoerd, maar leiden het af uit het tijdsverschil van twee door hen gebouwde atoomklokken die zich op gelijke hoogte bevonden. Hun tikfrequenties verschilden minder dan een triljoenste. Dat is zo weinig dat de atoomklokken zijn in te zetten om piepkleine hoogteverschillen van één centimeter te meten, concluderen de auteurs. Dat maakt ze nauwkeuriger dan de huidige satellieten die zwaartekrachtvariaties op aarde tot op enkele centimeters bepalen.

Dat het verlopen van de tijd onder invloed van de zwaartekracht staat, beschreef Einstein in de relativiteitstheorie. De zwaartekracht van een object met massa, zoals de aarde, vertraagt het tikken van een klok. Een klok op het aardoppervlak zit diep in het zwaartekrachtsveld van de aarde en loopt daardoor langzamer dan een klok in een vliegtuig op een paar kilometer hoogte.

33 centimeter

Wil je de tijd van twee atoomklokken vergelijken, dan moet je rekening houden met dit zwaartekrachteffect. Het is ook om te keren. Uit het tijdsverschil tussen twee klokken kun je een verschil in zwaartekracht en dus in hoogte afleiden. Zo lieten andere NIST-onderzoekers acht jaar geleden zien dat atoomklokken het verschil in zwaartekracht tussen een klok op de grond en een klok 33 centimeter hoger konden meten. Dat is nu dus verminderd tot een verschil van één centimeter.

Zwaartekrachtsverschillen tussen twee plekken op aarde ontstaan door verschillen in bijvoorbeeld hoogte of grondwaterstromen. Als het grondwaterpeil hoger staat is er meer massa aanwezig.

Voor een klok heb je een vaste frequentie nodig. In ouderwetse klokken komt die van een slinger die met vaste regelmaat heen en weer schommelt. Bij atoomklokken is dat een atoomtrilling. De trillingsfrequentie wordt gemeten met een laser. Als laserlicht precies dezelfde frequentie heeft als de atoomtrilling, dan raken atomen in een zogenoemde aangeslagen toestand. De juiste frequentie wordt gezocht door met laserlicht met een bepaalde frequentie op de atomen te schijnen. Vervolgens kijk je of ze aangeslagen zijn. Is dat niet zo, dan probeer je een andere frequentie. Tot je precies de trillingsfrequentie van het atoom hebt. Vervolgens stuurt de laser een atoomklok aan.

Ytterbiumatomen

Die trillingsfrequentie is identiek voor alle atomen van een bepaald element. De NIST-onderzoekers gebruiken ytterbiumatomen. Elk ytterbiumatoom raakt bij exact dezelfde frequentie aangeslagen. Die frequentie meten is een zorgvuldig klusje. De atomen raken gemakkelijk verstoord door omgevingsfactoren – magneetvelden, temperatuursveranderingen.

De NIST-onderzoekers hebben de nauwkeurigheid van hun atoomklokken verbeterd door de ytterbiumatomen in een kooi van Faraday te stoppen. Zo hielden ze elektromagnetische velden buiten. Het botsen met andere atomen minimaliseerden ze met een vacuüm. Verder hielden ze de temperatuur met isolatiemateriaal zo constant mogelijk.

Fysicus Florian Schreck van de Universiteit van Amsterdam noemt het onderzoek „een mooie prestatie”. Hij ontving vorige maand een Europese subsidie van 10 miljoen euro voor het ontwikkelen van supernauwkeurige, kleine optische atoomklokken. Dat de NIST-onderzoekers geen meting hebben uitgevoerd waarin ze dat hoogteverschil van één centimeter ook aantonen, vindt Schreck niet erg. „Dit onderzoek is overtuigend. Zo’n hoogtemeting zou je alleen doen voor de mooie publiciteit.”

    • Dorine Schenk