Nederlandse ondertiteling voor de videos is beschikbaar in YouTube.
Een extreem nauwkeurige klok bouwen
|
Klokken zijn niet alleen handig om op een afgesproken tijd met een vriend af te spreken; ze worden ook gebruikt om netwerken te synchroniseren, zoals mobiele telefonienetwerken. Ons GPS en onze navigatie zijn ervan afhankelijk.
Om een klok te bouwen, heb je een soort frequentieverwijzing nodig. Je kunt denken aan een slinger in een staande klok. Als je probeert twee klokken te bouwen die precies hetzelfde zijn, zal dat niet lukken, omdat je nooit twee slingers kunt maken die exact hetzelfde zijn, met precies dezelfde lengte en die exact in hetzelfde tempo tikken. Gelukkig geeft de kwantummechanica ons frequentieverwijzingen die overal absoluut identiek zijn. Dit zijn de optische overgangen in atomen. Als je een bepaalde overgang in een atoom hebt, heb je een laserstraal met een bepaalde frequentie nodig om deze overgang aan te drijven. Als je klokken bouwt op basis van de frequentie van deze laserstralen die deze optische overgangen aandrijven, dan zal een klok op basis van strontiumatomen in Amsterdam, een in Peking of zelfs een in een ander sterrenstelsel allemaal exact in hetzelfde tempo tikken. |
|
Dus wat heb je nodig om een atoomklok te bouwen? Je moet deze overgangen in deze atomen zeer nauwkeurig kunnen meten. Dat kun je niet doen als de atomen zich in een thermisch gas bevinden, zoals de lucht hier in de kamer, waar ze met honderden meters per seconde heen en weer schieten, omdat je de atomen dan niet lang genoeg kunt observeren. Je moet deze atomen dus in feite tot stilstand koelen voordat je ze observeert.
Dat doen we in apparaten zoals dit. Diep van binnen bevindt zich een vacuümkamer waarin we een gas van strontiumatomen koelen met behulp van laserkoeling. Je ziet hier spiegels die de laserstralen op de atomen richten. De atomen komen uit een oven, gaan dan hier naar beneden, en in het midden worden ze afgekoeld tot onder 1 microkelvin.
Aan het eind kunnen we standaardtechnieken gebruiken, zoals optische frequentiekammen, om de frequentie van de laserstraal te meten en die aan elektronica door te geven. Daarna kunnen we met dit frequentiesignaal doen wat we maar willen—bijvoorbeeld de wijzers van een klok laten bewegen. Als je een optische klok als deze bouwt, zullen de beste klokken ter wereld in de loop van de hele leeftijd van het heelal maar ongeveer één seconde verlopen.
Dat doen we in apparaten zoals dit. Diep van binnen bevindt zich een vacuümkamer waarin we een gas van strontiumatomen koelen met behulp van laserkoeling. Je ziet hier spiegels die de laserstralen op de atomen richten. De atomen komen uit een oven, gaan dan hier naar beneden, en in het midden worden ze afgekoeld tot onder 1 microkelvin.
Aan het eind kunnen we standaardtechnieken gebruiken, zoals optische frequentiekammen, om de frequentie van de laserstraal te meten en die aan elektronica door te geven. Daarna kunnen we met dit frequentiesignaal doen wat we maar willen—bijvoorbeeld de wijzers van een klok laten bewegen. Als je een optische klok als deze bouwt, zullen de beste klokken ter wereld in de loop van de hele leeftijd van het heelal maar ongeveer één seconde verlopen.
Hoe je ultrakoude atomen voorbereidt voor een atoomklok
|
Een atoomklok gebruikt de frequentie van een smalle atomaire overgang als frequentieverwijzing. Om deze frequentie precies te meten, hebben we atomen nodig die bijna stilstaan. Atomen in een gas bij kamertemperatuur bewegen met snelheden van honderden meters per seconde — ze zouden ontsnappen voordat we ze nauwkeurig kunnen meten. Om dat te voorkomen, bereiden we een gasmonster bij een temperatuur van slechts een miljoenste graad boven het absolute nulpunt, bij ongeveer −273 °C. In deze omstandigheden bewegen de atomen zich slechts met enkele millimeters per seconde.
We bereiden dit gasmonster in een vacuümkamer, met behulp van lasers en magneetvelden. We zoomen in op een oven aan één uiteinde van de vacuümkamer, waar strontiumatomen als een blok metaal worden opgeslagen. Wanneer we de oven verhitten, laten strontiumatomen los van het blok en vormen een gas. De atomen kaatsen rond in de oven en sommige ontsnappen toevallig door smalle buisjes. Deze buisjes zorgen ervoor dat de meeste ontsnappende atomen in de richting reizen die wij willen. |
|
De atomen die uit de oven komen, hebben snelheden van honderden meters per seconde. We remmen ze af door een laserstraal tegen hun bewegingsrichting in te sturen en ervoor te zorgen dat de atomen fotonen uit deze laserstraal verstrooien. Je kunt je voorstellen dat elk atoom wordt geraakt door duizenden kleine pingpongballetjes van licht, die elk het atoom een klein beetje afremmen. Zodra de atomen het midden van de vacuümkamer, de glazen cel, bereiken, bewegen ze nog maar met enkele tientallen meters per seconde.
Om de atomen verder te koelen en ze in het midden van de glazen cel op te sluiten, gebruiken we zes laserstralen die de atomen afremmen en naar binnen duwen, geleid door een speciaal magneetveld. De atomen worden zo in het midden van de glazen cel verzameld als een kleine gaswolk. Nu hebben we een ultrakoud monster van strontiumatomen. Daarmee kunnen we door spectroscopie de frequentie van een uiterst smalle atomaire overgang zeer nauwkeurig bepalen. Deze frequentie is wat onze ultraprecieze optische atoomklok laat tikken.
Om de atomen verder te koelen en ze in het midden van de glazen cel op te sluiten, gebruiken we zes laserstralen die de atomen afremmen en naar binnen duwen, geleid door een speciaal magneetveld. De atomen worden zo in het midden van de glazen cel verzameld als een kleine gaswolk. Nu hebben we een ultrakoud monster van strontiumatomen. Daarmee kunnen we door spectroscopie de frequentie van een uiterst smalle atomaire overgang zeer nauwkeurig bepalen. Deze frequentie is wat onze ultraprecieze optische atoomklok laat tikken.
Werkingsprincipe van een optische atoomklok
|
Een optische atoomklok tikt op de frequentie van een nauwe atomaire overgang. Deze frequentie wordt aan een gebruiker geleverd in de vorm van de frequentie van een laserstraal. Het werkingsprincipe van de klok is om de frequentiestabiliteit van de atomaire overgang over te dragen op deze laser. Dit doen we door precies deze laser te gebruiken om de atomaire overgang te onderzoeken, en het resultaat van deze meting te gebruiken om de laserfrequentie fijn bij te stellen en ervoor te zorgen dat hij precies afgestemd blijft.
Niet zomaar elke laser is echter geschikt — hij moet werken op de juiste frequentie voor de overgang, en zijn frequentie moet vooraf gestabiliseerd zijn voordat hij met de atomen interageert, omdat het onderzoek tientallen seconden duurt. |
|
Wanneer we de laser voor het eerst aanzetten, zien we dat de frequentie, het aantal oscillaties per seconde, sterk heen en weer springt. De laser is dan nog behoorlijk instabiel — we kunnen de atomen er niet mee onderzoeken. Om de frequentie van de laser voor te stabiliseren, stemmen we hem af op een resonantie van een optische caviteit, een beetje zoals een zangeres haar toonhoogte afstemt op een noot gespeeld op een gitaar. Om te bepalen hoe dicht de laser bij een caviteitsresonantie zit, sturen we een deel van zijn licht naar de caviteit. Onderweg passeert de laser een elektro‑optische modulator, of kortweg EOM, die het laserspectrum lichtjes aanpast — hij drukt zijbanden op het signaal. Dit maakt het eenvoudiger om een signaal te verkrijgen dat elektronica kan gebruiken om de laserfrequentie op de caviteitsresonantie af te stemmen.
Laten we onze aandacht richten op de optische caviteit. In haar eenvoudigste vorm bestaat zij uit twee spiegels, met de spiegelvlakken naar elkaar toe gericht. Wanneer de laser op de eerste spiegel valt, wordt een klein deel doorgelaten in de caviteit. Alleen als de laserfrequentie in resonantie is met de caviteit, kan er binnenin een staande lichtgolf ontstaan en lekt er licht door de andere spiegel naar buiten. Dit gebeurt bij een aantal specifieke frequenties, en wij kiezen degene die het dichtst bij de atomaire overgang ligt.
Een simpele manier om de laserfrequentie te stabiliseren zou zijn om hem zo bij te stellen dat er licht uit de caviteit lekt. Wij gebruiken een iets geavanceerdere methode, waarbij we het teruggekaatste licht van de caviteit op een fotodetector opvangen. Elektronica kan het signaal van deze detector gebruiken om de laserfrequentie zo bij te stellen dat hij in resonantie is met de caviteitsmodus.
De caviteit kan geen langdurig stabiele referentie bieden, omdat haar lengte langzaam verandert — bijvoorbeeld door temperatuurschommelingen — waardoor de caviteitsresonantiefrequentie verschuift. Om de laserfrequentie ook op lange tijdschalen te stabiliseren, hebben we de atomen nodig. Die geven ons een onveranderlijke referentiefrequentie, door de natuur vastgelegd. Met de voorgestabiliseerde laser kunnen we nu de atomen onderzoeken. We moeten bepalen of de laserfrequentie precies op de atomaire overgang ligt of net erboven of eronder, zodat we de laserfrequentie terug naar de overgang kunnen trekken als hij weggedreven is.
Om de atomen te onderzoeken, laten we de rode laser die we net hebben voorbereid kort op de atomen schijnen. Om de laser aan en uit te schakelen en zijn frequentie fijn af te stellen, gebruiken we een akoesto‑optische modulator, een AOM. Als de laser precies op of dicht bij de juiste frequentie zit, worden atomen aangeslagen. We meten hoeveel atomen aangeslagen zijn door ze te laten fluoresceren in het licht van een tweede, blauwe, laserstraal. Een fotodiode verzamelt het blauwe licht dat door de atomen wordt uitgezonden.
Laten we drie gevallen bekijken.
In het eerste geval is de laser bijna in resonantie afgestemd, zodat de meeste atomen worden aangeslagen naar een hogere energietoestand. Wanneer we nu de blauwe laser op de atomen laten schijnen, kunnen alleen de atomen die in de grondtoestand zijn achtergebleven — de nog “blauwe” atomen in de video — het licht verstrooien.
In het tweede geval staat de laser enigszins naast de resonantie, in ons voorbeeld zo dat ongeveer de helft van de atomen in de aangeslagen toestand terechtkomt. Dat betekent dat we, wanneer we de blauwe laser op de atomen laten schijnen, een helderder signaal krijgen, omdat meer atomen in de grondtoestand zijn achtergebleven — de “blauwe” atomen.
Het laatste geval laat zien wat er gebeurt als de laser ver van de resonantie af zit, zodat vrijwel geen enkel atoom in de aangeslagen toestand terechtkomt. Hier blijven de meeste atomen in de grondtoestand en kunnen ze het blauwe licht absorberen en weer uitzenden, wat een hoog signaal op de fotodiode geeft.
Kortom: hoe minder atomen in de grondtoestand achterblijven, hoe zwakker het gedetecteerde blauwe signaal is. We zien hier opnieuw de volgorde: eerst een rode laserpuls die een deel van de atomen exciteert, en daarna een tweede blauwe puls om te meten of we ze met de eerste puls hebben kunnen aanspreken.
Een eenvoudige manier om ervoor te zorgen dat de laser op de atomaire overgang wordt gerefereerd, is om hem in de “tussenin”-situatie te houden. Als we dan minder licht op de fotodiode krijgen, weten we dat de laserfrequentie richting resonantie is gedrift en kunnen we haar weer wegtrekken. Omgekeerd, als we meer licht krijgen, moet de frequentie verder van de resonantie zijn weggedreven en kunnen we haar terugduwen.
Door steeds opnieuw nieuwe atoommonsters voor te bereiden en ze op deze manier te ondervragen, kunnen we de laser dicht bij de atomaire overgang houden.
Daarmee hebben we een stabiele frequentiereferentie gebouwd, die op zichzelf al uiterst nuttig is. Om er een klok van te maken die de tijd aangeeft, tellen we eenvoudigweg het aantal oscillatieperioden van deze referentie sinds een goed gedefinieerd startmoment. Dat is alles: we hebben een optische atoomklok op basis van strontiumatomen gebouwd, die over de levensduur van het heelal slechts één seconde verkeerd zou lopen.
Laten we onze aandacht richten op de optische caviteit. In haar eenvoudigste vorm bestaat zij uit twee spiegels, met de spiegelvlakken naar elkaar toe gericht. Wanneer de laser op de eerste spiegel valt, wordt een klein deel doorgelaten in de caviteit. Alleen als de laserfrequentie in resonantie is met de caviteit, kan er binnenin een staande lichtgolf ontstaan en lekt er licht door de andere spiegel naar buiten. Dit gebeurt bij een aantal specifieke frequenties, en wij kiezen degene die het dichtst bij de atomaire overgang ligt.
Een simpele manier om de laserfrequentie te stabiliseren zou zijn om hem zo bij te stellen dat er licht uit de caviteit lekt. Wij gebruiken een iets geavanceerdere methode, waarbij we het teruggekaatste licht van de caviteit op een fotodetector opvangen. Elektronica kan het signaal van deze detector gebruiken om de laserfrequentie zo bij te stellen dat hij in resonantie is met de caviteitsmodus.
De caviteit kan geen langdurig stabiele referentie bieden, omdat haar lengte langzaam verandert — bijvoorbeeld door temperatuurschommelingen — waardoor de caviteitsresonantiefrequentie verschuift. Om de laserfrequentie ook op lange tijdschalen te stabiliseren, hebben we de atomen nodig. Die geven ons een onveranderlijke referentiefrequentie, door de natuur vastgelegd. Met de voorgestabiliseerde laser kunnen we nu de atomen onderzoeken. We moeten bepalen of de laserfrequentie precies op de atomaire overgang ligt of net erboven of eronder, zodat we de laserfrequentie terug naar de overgang kunnen trekken als hij weggedreven is.
Om de atomen te onderzoeken, laten we de rode laser die we net hebben voorbereid kort op de atomen schijnen. Om de laser aan en uit te schakelen en zijn frequentie fijn af te stellen, gebruiken we een akoesto‑optische modulator, een AOM. Als de laser precies op of dicht bij de juiste frequentie zit, worden atomen aangeslagen. We meten hoeveel atomen aangeslagen zijn door ze te laten fluoresceren in het licht van een tweede, blauwe, laserstraal. Een fotodiode verzamelt het blauwe licht dat door de atomen wordt uitgezonden.
Laten we drie gevallen bekijken.
In het eerste geval is de laser bijna in resonantie afgestemd, zodat de meeste atomen worden aangeslagen naar een hogere energietoestand. Wanneer we nu de blauwe laser op de atomen laten schijnen, kunnen alleen de atomen die in de grondtoestand zijn achtergebleven — de nog “blauwe” atomen in de video — het licht verstrooien.
In het tweede geval staat de laser enigszins naast de resonantie, in ons voorbeeld zo dat ongeveer de helft van de atomen in de aangeslagen toestand terechtkomt. Dat betekent dat we, wanneer we de blauwe laser op de atomen laten schijnen, een helderder signaal krijgen, omdat meer atomen in de grondtoestand zijn achtergebleven — de “blauwe” atomen.
Het laatste geval laat zien wat er gebeurt als de laser ver van de resonantie af zit, zodat vrijwel geen enkel atoom in de aangeslagen toestand terechtkomt. Hier blijven de meeste atomen in de grondtoestand en kunnen ze het blauwe licht absorberen en weer uitzenden, wat een hoog signaal op de fotodiode geeft.
Kortom: hoe minder atomen in de grondtoestand achterblijven, hoe zwakker het gedetecteerde blauwe signaal is. We zien hier opnieuw de volgorde: eerst een rode laserpuls die een deel van de atomen exciteert, en daarna een tweede blauwe puls om te meten of we ze met de eerste puls hebben kunnen aanspreken.
Een eenvoudige manier om ervoor te zorgen dat de laser op de atomaire overgang wordt gerefereerd, is om hem in de “tussenin”-situatie te houden. Als we dan minder licht op de fotodiode krijgen, weten we dat de laserfrequentie richting resonantie is gedrift en kunnen we haar weer wegtrekken. Omgekeerd, als we meer licht krijgen, moet de frequentie verder van de resonantie zijn weggedreven en kunnen we haar terugduwen.
Door steeds opnieuw nieuwe atoommonsters voor te bereiden en ze op deze manier te ondervragen, kunnen we de laser dicht bij de atomaire overgang houden.
Daarmee hebben we een stabiele frequentiereferentie gebouwd, die op zichzelf al uiterst nuttig is. Om er een klok van te maken die de tijd aangeeft, tellen we eenvoudigweg het aantal oscillatieperioden van deze referentie sinds een goed gedefinieerd startmoment. Dat is alles: we hebben een optische atoomklok op basis van strontiumatomen gebouwd, die over de levensduur van het heelal slechts één seconde verkeerd zou lopen.
Een optische atoomklok bruikbaar maken met een optische frequentiekam
|
Zodra we de laser hebben gestabiliseerd op de atomaire klokovergang, beschikken we over een zeer stabiele optische frequentieverwijzing. Deze verwijzing tikt echter op 460 terahertz, dat wil zeggen 460 biljoen oscillaties per seconde, wat voor veel toepassingen te snel is. Vaak is een frequentieverwijzing voor elektronica nodig, en om die te verkrijgen, moeten we het optische signaal omzetten in een radiosignaal.
Het hulpmiddel dat we hiervoor gebruiken, heet een frequentiekam. Als we naar de laserstraal kijken en de tijd zouden vertragen, zien we dat deze bestaat uit een reeks zich herhalende korte laserpulsen. Wanneer we naar het frequentiespectrum van deze laser kijken, vinden we een “regenboog” van discrete frequentiecomponenten, gescheiden door de herhalingsfrequentie van de laserpulsen. Het spectrum ziet eruit als een kam, vandaar de naam. De tanden van deze frequentiekam kunnen worden gebruikt als een soort liniaal voor het meten van optische frequenties. Als we weer uitzoomen, zien we een laserstraal die er voor het oog wit uitziet, omdat hij kleuren over het hele spectrum van de regenboog bevat. |
|
De uitdaging bij het gebruik van een frequentiekam is dat deze op zichzelf instabiel is – de herhalingsfrequentie drijft weg en daardoor veranderen de frequenties van de kamtanden. Om de herhalingsfrequentie te stabiliseren, refereren we één kamlijn aan de stabiele laser die door de atoomklok wordt geleverd.
Maar hoe doen we dat? We kijken naar de kamtand die het dichtst bij onze laserfrequentie ligt. De interferentie tussen deze tand en de laser produceert een slaagsignaal (beat note), dat zichtbaar is als intensiteitsoscillaties. Dit lijkt op wat je hoort wanneer je een muziekinstrument op een ander afstemt, net voordat hun frequenties samenvallen. In ons geval ligt het slaagsignaal in het megahertz-bereik, wat we eenvoudig kunnen meten met een fotodetector. Vervolgens veranderen we de herhalingsfrequentie van de kam totdat dit slaagsignaal een goed gedefinieerde waarde heeft. Hierdoor wordt de herhalingsfrequentie van de kam nauwkeurig vergrendeld. We kunnen de herhalingsfrequentie meten met een fotodetector en zo een radiofrequentiesignaal verkrijgen dat geschikt is voor elektronica.
Zodra de kam aan de atomaire referentie is gestabiliseerd, levert hij ons een regenboog van discrete en ultraprecieze laserfrequenties. We kunnen lasers op elke andere golflengte aan de kam vergrendelen en ze zo een frequentienauwkeurigheid geven die net zo goed is als die van de atomaire referentie. Dit betekent dat we niet langer beperkt zijn tot de golflengte die de natuur ons heeft gegeven in de vorm van de atomaire overgang.
We kunnen dit gebruiken om de optische atomaire frequentieverwijzing over een heel continent te distribueren. We stabiliseren eenvoudigweg een telecommunicatielaser op de kam en sturen deze laser door telecommunicatienetwerken van glasvezel, samen met internetsignalen. Op deze manier kunnen we optische klokken op verschillende locaties met elkaar vergelijken of netwerken synchroniseren.
Omdat de tijd afhankelijk is van de zwaartekracht, stelt het vergelijken van klokken ons in staat om hun geodetische hoogteverschil tot op één centimeter nauwkeurig te bepalen. Als klokken gebaseerd zijn op verschillende atomaire, moleculaire of nucleaire systemen, kunnen we onderzoeken of de fundamentele constanten van de natuur in de loop van de tijd veranderen, wat zou wijzen op fysica buiten het standaardmodel. En we kunnen deze technieken gebruiken om telecommunicatienetwerken te synchroniseren zonder afhankelijk te zijn van satellietnavigatiesignalen die gemakkelijk verstoord of vervalst kunnen worden. Met goede synchronisatie kunnen onze telecommunicatienetwerken zelfs robuuste navigatie met een nauwkeurigheid van 10 cm mogelijk maken.
Maar hoe doen we dat? We kijken naar de kamtand die het dichtst bij onze laserfrequentie ligt. De interferentie tussen deze tand en de laser produceert een slaagsignaal (beat note), dat zichtbaar is als intensiteitsoscillaties. Dit lijkt op wat je hoort wanneer je een muziekinstrument op een ander afstemt, net voordat hun frequenties samenvallen. In ons geval ligt het slaagsignaal in het megahertz-bereik, wat we eenvoudig kunnen meten met een fotodetector. Vervolgens veranderen we de herhalingsfrequentie van de kam totdat dit slaagsignaal een goed gedefinieerde waarde heeft. Hierdoor wordt de herhalingsfrequentie van de kam nauwkeurig vergrendeld. We kunnen de herhalingsfrequentie meten met een fotodetector en zo een radiofrequentiesignaal verkrijgen dat geschikt is voor elektronica.
Zodra de kam aan de atomaire referentie is gestabiliseerd, levert hij ons een regenboog van discrete en ultraprecieze laserfrequenties. We kunnen lasers op elke andere golflengte aan de kam vergrendelen en ze zo een frequentienauwkeurigheid geven die net zo goed is als die van de atomaire referentie. Dit betekent dat we niet langer beperkt zijn tot de golflengte die de natuur ons heeft gegeven in de vorm van de atomaire overgang.
We kunnen dit gebruiken om de optische atomaire frequentieverwijzing over een heel continent te distribueren. We stabiliseren eenvoudigweg een telecommunicatielaser op de kam en sturen deze laser door telecommunicatienetwerken van glasvezel, samen met internetsignalen. Op deze manier kunnen we optische klokken op verschillende locaties met elkaar vergelijken of netwerken synchroniseren.
Omdat de tijd afhankelijk is van de zwaartekracht, stelt het vergelijken van klokken ons in staat om hun geodetische hoogteverschil tot op één centimeter nauwkeurig te bepalen. Als klokken gebaseerd zijn op verschillende atomaire, moleculaire of nucleaire systemen, kunnen we onderzoeken of de fundamentele constanten van de natuur in de loop van de tijd veranderen, wat zou wijzen op fysica buiten het standaardmodel. En we kunnen deze technieken gebruiken om telecommunicatienetwerken te synchroniseren zonder afhankelijk te zijn van satellietnavigatiesignalen die gemakkelijk verstoord of vervalst kunnen worden. Met goede synchronisatie kunnen onze telecommunicatienetwerken zelfs robuuste navigatie met een nauwkeurigheid van 10 cm mogelijk maken.
