Bijna tijd voor een nieuwe seconde door strontium-atoomklokken

Opvallend onspectaculair zijn ze, de vier atoomklokken op de bovenverdieping van het Van Swinden Laboratorium (VSL) in Delft die samen Nederland perfect bij de tijd moeten houden. Vier metalen kasten met wat knopjes en een tellende rode cijferdisplay, voor de zekerheid op een marmeren blok tegen eventueel trillen.

De strontium-90-atoomklok van het National Physical Laboratory in Middlesex. Beeld NPL

Om de twee uur maakt het kwartet via satellietverbindingen met de schotelantennes op het dak contact met het Europese tijdnetwerk, dat vanuit Parijs wordt aangestuurd. Om te zien of ze nog in de pas lopen met de wereld. Door de bank genomen, zegt VSL-tijdbeheerder Erik Dierikx, loopt het Nederlandse klokkenkwartet in twee uur maximaal 20 nanoseconde voor of achter.

Ruim binnen de normen en ruim voldoende ook voor alle industriële gebruikers van een betrouwbaar tijdsignaal. Maar, zegt hij ook, voor met name de wetenschappelijke wereld zou het best nog nauwkeuriger mogen. 'Al was het maar om onze klokken nog preciezer tegen te kalibreren.'

Dierikx en het VSL worden deze maand op hun wenken bediend met een internationale meetcampagne waarin vier Europese laboratoria een vergelijking uitvoeren van de secuurste atoomklokken die ooit zijn gebouwd. Die tikken niet, zoals de cesiumklokken in Delft, hooguit tot 1 seconde in de biljoen jaar ernaast.

Netwerk

Een nieuwe generatie atoomklokken, op basis van het strontiumatoom in plaats van cesium, is in opmars en is in principe nog eens aan factor duizend stabieler. De strontiumatoomklok, is de verwachting, kan op termijn zelfs de officiële definitie van de seconde gaan overnemen. Mits, zegt de Britse coördinator van de meetcampagne Helen Margolis van het tijdlab in Teddington, er een solide internationaal netwerk mee te bouwen is. 'Aan één superklok heb je niks, er moet waterdichte onderlinge controle zijn', benadrukt ze.

De Europese meetcampagne, met labs in het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Frankrijk en Italië, is vooral een speurtocht naar de beste technieken om de verschillende superklokken aan elkaar te knopen. Overal in de wereld vormen nu nog cesiumklokken het kloppende hart van de tijdmeting. Net als in Delft worden die via satellieten aan elkaar gekoppeld en met heen en teruggaande signalen vergeleken. Daarbij worden zowel gps-kunstmanen gebruikt als bakens, als telecom-satellieten om echt tijd te communiceren.

Atoomklokken zijn geen klokken in de gebruikelijke zin van het woord: machines die vertellen hoe laat het is. Ze vormen in de eerste plaats een superstrak tikkend hart voor een klok. De hartslag wordt geleverd door het gegeven dat elektronen op twee manieren in een atoom als cesium kunnen voorkomen. De energie van het atoom verschilt daarbij een fractie.

Alleen met microgolven of laserlicht van exact de juiste trillingsfrequentie is zo'n atoom van de lage in de hoge energie te brengen. 'De natuur levert dus een manier om een bepaalde vaste frequentie in te stellen, waar je ook bent', legt Dierikx uit.

In 1955 bouwden Britse fysici de eerste cesiumklok op basis van dat principe. Sinds 1967 geeft die zelfs de internationale definitie van de seconde: de tijd waarin de gebruikte microgolfstraling 9.192.631.770 trillingen uitvoert. Aanvankelijk vergde dat een lab vol delicate meetapparatuur, nu zit een cesiumatoomklok in een kast zo groot als een flinke audiotuner, het type waarvan er vier in Delft staan.

Het atoom verandert nooit, eventuele onregelmatigheden zijn de schuld van de gebruikte meettechnieken. Wat helpt is een hoger aantal trillingen in een seconde, en de laatste decennia is er uitgebreid geëxperimenteerd met elementen uit het periodiek systeem die dat kunnen leveren. Sommige metalen doen het goed, zoals aluminium of ytterbium.

Energie-overgang

Maar de laatste jaren gaat de aandacht wereldwijd naar strontium-90, waarvan het atoom in de laagste toestand een interessante energie-overgang heeft die reageert op blauw laserlicht van één heel specifieke frequentie.

Buiten Nederland hebben vijf laboratoria van de VS en Europa tot Japan experimenteel zulke klokken gebouwd, die er vooralsnog meer uitzien als een volgepakt optisch laboratorium dan een bruikbaar apparaat. Ergens diep binnenin de opstellingen zweeft opgesloten in een laserkruisvuur een wolkje ijskoude strontium-atomen dat de hartslag geeft voor een nieuwe definitie van de tijd: precies 429.228.004.229.873 trillingen in iedere seconde. Met minder dan een seconde afwijking op de leeftijd van het hele heelal.

Die experimenten zijn elk op zich zeer hoopgevend, zegt Helen Margolis, die de ITOC-tests (international test of optical clocks) coördineert. 'In principe is de strontiumklok stabieler en preciezer dan de huidige cesiumstandaard. De belangrijke vraag is of de klokken onderling te vergelijken zijn, en uiteindelijk of er een solide internationaal netwerk van tijdbewaarders mee te bouwen is. Deze weken doen we testen met satellietverbindingen, die je dan intercontinentaal nodig zult hebben.'

De afgelopen jaren hebben vier Europese labs in Teddington, Parijs, Braunschweig en Turijn daarom al pogingen gedaan om hun nieuwe superklokken via een glasvezelnetwerk direct optisch met elkaar te verbinden en te vergelijken.

Dierikx was daar als officieel Nederlands tijdbewaker vanaf de zijlijn bij betrokken en is enthousiast, zowel over de resultaten van de strontium-klokken als over de gerealiseerde vezelnetwerken. 'Er is technologie ontwikkeld, die hoe dan ook nodig wordt, zeker als we op termijn naar een nieuwe tijdstandaard gaan.'

Een eigen superklok in Nederland is dankzij een internationaal netwerk niet nodig en ook niet reëel. 'Daarvoor is de technologie te duur en de markt te klein', zegt Dierikx nuchter terwijl hij de dikke stalen deur van zijn eigen klokkenkluis in Delft dichttrekt.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden