Nog preciezer dan een atoomklok: de thoriumklok

Wetenschappers wisten al twintig jaar dat het mogelijk moest zijn, maar nu is het ook echt gelukt: de opvolger van de atoomklok aan de praat krijgen. Deze zogenoemde thoriumklok kan de tijd nog veel preciezer gaan meten dan de beste huidige atoomklokken, beloven de onderzoekers in het wetenschappelijke vakblad Nature.

De beste atoomklokken hebben een afwijking van één seconde in ruim 30 miljard jaar. Hoe onwaarschijnlijk nauwkeurig dat ook is, de nieuwe thoriumklok belooft een nog grotere precisie: een afwijking van slechts één seconde in meer dan 300 miljard jaar.

Voor dagelijks gebruik is die enorme precisie overbodig, maar allerlei technologieën maken er dankbaar gebruik van. Het is aan atoomklokken te danken dat we met behulp van satellietnavigatie wereldwijd onze locatie kunnen bepalen. Ook het internet en mobiele telefonie zijn mede mogelijk dankzij atoomklokken.

Sneller en stabieler

De nieuwe thoriumklok biedt perspectief op nog sneller internet, stabielere netwerken en betere digitale beveiliging. Ook quantumnetwerken, gebaseerd op de nog in ontwikkeling zijnde quantumcomputer, zou kunnen profiteren van de nieuwe klok.

"Dit is revolutionair. Het is de start van een ontwikkeling waar we al twintig jaar over dromen", zegt Jeroen Koelemeij, natuurkundige bij het LaserLab van de Vrije Universiteit in Amsterdam, en zelf niet betrokken bij het onderzoek. "De omvang en potentie van deze innovatie zijn vergelijkbaar met de impact van de traditionele atoomklok zelf, zeventig jaar geleden."

Wetenschappers wisten al dat het mogelijk moest zijn om een nog preciezere atoomklok te maken door metingen aan de atoomkern te doen. Maar ze hadden geen idee met welk type licht ze de trillingen zouden kunnen meten. "Het was echt zoeken naar een speld in een hooiberg".

Die speld was al eerder gevonden, onder meer door een Duitse groep onderzoekers. De trillingen bleken opgewekt te kunnen worden met ultraviolet licht met een golflengte van 148 nanometer. In de nieuwe studie is op basis van deze kennis voor het eerst een echte thoriumklok gedemonstreerd.

Die klok heeft op dit moment nog niet de precisie van een atoomklok, maar de verwachting is dat de thoriumklok over een aantal jaren de precisie van atoomklokken zal evenaren en vervolgens verbeteren.

Hoogtemeting dankzij Einstein

Een voordeel is ook dat de nieuwe thoriumklok niet in een speciaal vacuüm hoeft te worden geïsoleerd, zoals bij de huidige atoomklokken. "Die speciale vacuümkamers kosten veel ruimte en energie", zegt Koelemeij. "Dit past gewoon in een kristalletje." Dat kan de productie van thoriumklokken op termijn eenvoudiger en goedkoper maken.

Naast snellere en stabielere netwerken zou die nauwkeuriger klok ook een rol kunnen gaan spelen bij hoogtemeting. Dankzij de relativiteitstheorie van Einstein weten we dat een klok net iets sneller loopt als hij verder van de aarde is verwijderd. Door twee heel precieze klokken met elkaar te vergelijken, kun je dan de hoogte berekenen.

Met de nieuwe thoriumklokken zou dat tot op de millimeter nauwkeurig moeten kunnen. Ter vergelijking: met de huidige methoden kunnen we de hoogte in Zuid-Limburg op dit moment tot ongeveer vijf centimeter nauwkeurig meten.

Wat Koelemeij betreft staan we nog maar aan maar het begin van deze ontwikkeling: "Atoomklokken zijn in zeventig jaar tijd tien miljoen keer nauwkeuriger geworden. Dus wie weet hoeveel preciezer de thoriumklokken nog gaan worden."