Je leest:

Atoomklok in een rijstkorrel

Atoomklok in een rijstkorrel

Auteur: | 30 augustus 2004

De nauwkeurigste klok ter wereld neemt een paar kubieke meter in beslag. Nauwelijks praktisch voor in een nauwkeurige GPS-meter. Natuurkundigen van NIST ontwierpen daarom een atoomklok ter grootte van een rijstkorrel.

Vraag bij het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology niet hoe laat het is. Je zou versteld staan over het aantal cijfers achter de komma dat ze je voorschotelen! Bij het NIST staat tenslotte de nauwkeurigste klok ter wereld. NIST-F1 neemt een labtafel in beslag, maar daar krijg je dan ook een nauwkeurigheid van een biljoenste seconde voor terug.

Het nieuwste snufje van het Amerikaanse ijkwezen is wat slordiger, maar past bijna overal in: een atoomklok die op een computerchip past. De mini-atoomklok haalt een bescheiden nauwkeurigheid van één tien-miljardste seconde. Duizend keer nauwkeuriger dan de kwartskristallen in je pc, en het kan volgens de bouwers nog beter. John Kitching en zijn team publiceerden over hun uitvinding in de augustusuitgave van het blad Applied Physics Letters.

Teamleider John Kitching met zijn ontwerp. Het eigenlijke atoomklokje is zo groot als een flinke rijstkorrel. Op de grotere versie (klik op de afbeelding) is de atoomklok te zien als een klein staafje op het gouden plaatje. bron: Geoffrey WheelerKlik op de afbeelding voor de grotere versie.

Eén kubieke millimeter, zo groot is het hart van NIST’s mini-atoomklok. Daar, in het centrum van de klok, zit een snufje cesiumgas opgesloten. Je kunt er letterlijk de klok op gelijk zetten: cesium heeft een aantal nauwkeurig bekende energietoestanden en die veranderen niet in de loop der tijd. Het verschil tussen twee van die niveau’s is de sleutel tot de enorme tijdnauwkeurigheid. Net als andere atomen kan een cesiumatoom energie opslaan in zijn binnenste. Dat gaat in nauwkeurig afgemeten stapjes; atomen kunnen alleen energie in brokjes van de juiste grootte opnemen of afstaan. Elk brokje energie is een foton, een lichtdeeltje. Bij elke fotonfrequentie of -kleur hoort één bepaalde energie.

Met twee regelbare lasers is het verschil tussen twee energieniveau’s nauwkeurig te meten. Het theoretische energieverschil van de cesiumniveau’s is bekend (om precies te zijn is het als een bepaald getal gedefiniëerd) en als de lasers precies op die frequentie werken, zijn hun eigen trillingen te gebruiken als ijkmiddel voor andere klokken. De lasers werken dan als verbinding tussen de nauwkeurige cesiumatomen en een andere, minder nauwkeurige kwartsklok. Die klokjes zitten in allerlei apparaten, van GSM-ontvangers en computerchips tot satellieten. De verbinding met de cesiumatomen corrigeert de kwartsklok als die uit de pas gaat lopen.

Ingezoomd op de atoomklok van Kitching et al.. Van onder naar boven: een laser, lens, dimmertje, polarisator, het pakketje met cesiumgas en uiteindelijk een fotodiode om licht te meten. Afmetingen: een rijstkorrel groot. bron: NIST

Het miniklokje is nog niet klaar voor productie, maar ontwerper John Kitching voorspelt al een grootse toekomst. Traditionele atoomklokken zijn log, duur en moeilijk te maken. Daarmee vergeleken is Kitching’s mini-atoomklok een wonder van zuinigheid. Zelfs ingebouwd in de gewone kwartsklok van een microprocessor meet het apparaatje maar één kubieke centimeter. Snellere processoren, veiliger draadloze verbindingen en nauwkeurigere afstandsmeting zijn maar een paar mogelijke toepassingen van de mini-atoomklok.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 augustus 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.