Tijd meten 200 miljard keer nauwkeurig
Het nieuwe onderzoek controleert de ruis in de atoomfrequentie om de precisie van atoomklokken te verdubbelen voor een nauwkeurigere tijd.
Zonder precieze tijd zou geen enkele elektronica ter wereld werken.Het houdt de tijd bij voor GPS-navigatie, internetgegevensoverdracht, aandelenhandel en communicatienetwerken.Deze klokken worden atoomklokken genoemd;ze werken door te meten hoe atomen van nature “frequentie-oscillatie” hebben met vaste, constante snelheden.
De meeste huidige atoomklokken maken gebruik van cesiumatomen, die meer dan 10 miljard keer per seconde oscilleren.Lasers matchen deze atomaire tikken om de perfecte tijd te behouden.
Maar nieuwere optische atoomklokken gebruiken atomen zoals ytterbium, die veel sneller tikken, ongeveer 100 biljoen keer per seconde.Snellere oscillatie betekent een nauwkeurigere tijdwaarneming, maar deze optische klokken worden geconfronteerd met een probleem dat kwantumruis wordt genoemd.Kwantumruis maakt het moeilijker om de kleine oscillaties van atomen duidelijk te meten.
De nieuwe aanpak verdubbelt de precisie van een optische atoomklok, waardoor deze twee keer zoveel tikken per seconde kan waarnemen in vergelijking met dezelfde opstelling zonder de nieuwe methode.Verder verwachten ze dat de nauwkeurigheid van de methode gestaag zal toenemen met het aantal atomen in een atoomklok.
MIT-wetenschappers hebben nu een manier ontwikkeld om deze ruis te verminderen en optische klokken stabieler te maken.Hun nieuwe methode, globale fasespectroscopie genaamd, kijkt naar hoe licht van een laser interageert met verstrengelde ytterbiumatomen.Wanneer het licht deze atomen raakt, ontstaat er een kleine herinnering aan de interactie tussen het licht en de atomen, de zogenaamde ‘globale fase’.
Eerder dachten wetenschappers dat dit effect er niet toe deed, maar het MIT-team ontdekte dat het feitelijk informatie bevat over de frequentie van de laser.
Met deze klokken proberen wetenschappers donkere materie en donkere energie te detecteren, en te testen of er werkelijk slechts vier fundamentele krachten zijn, en zelfs om te zien of deze klokken aardbevingen kunnen voorspellen.
Door gebruik te maken van kwantumversterking en een time-reversal-techniek konden de onderzoekers dit fasesignaal versterken.Dit helpt de klok kleinere frequentieveranderingen te detecteren die normaal gesproken verloren zouden gaan in ruis.Als gevolg hiervan verdubbelt de nieuwe methode de precisie van optische atoomklokken en maakt hun lasers stabieler.