Decennialang zochten onderzoekers naar een manier om de kernen van thoriumatomen in een bijzondere energietoestand te brengen. Nu is dat gelukt met een doelgerichte laserstraal. Dat opent de deur naar een ultranauwkeurige nucleaire klok.
Thoriumatoomkernen een energiesprongetje laten maken lijkt eenvoudig. Een thoriumatoomkern kan in verschillende energietoestanden verkeren. Wil je de kern in een hogere energietoestand brengen, dan moet je hem een zetje geven met genoeg energie om het energieverschil tussen de twee toestanden te overbruggen. Dat kan door er met een laser op te schijnen.
Maar er zit een addertje onder het gras. De laserstraal moet precies het juiste zetje geven. Stop je er net iets te veel of te weinig energie in, dan gebeurt er niets. En berekenen welke energie je moet hebben lijkt onmogelijk.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Fysici proberen de energieovergang van thoriumatoonkernen al bijna vijftig jaar te vinden. Nu lijkt het eindelijk gelukt.
Kernklok
De energieovergang van thorium vinden is niet alleen wetenschappelijk interessant. Als dat lukt, dan kunnen onderzoekers hiermee een ultranauwkeurige klok bouwen, die stabieler is dan de huidige atoomklokken.
De huidige atoomklokken kijken naar de energieovergang van de elektronen die om atoomkernen heen cirkelen. Die elektronen kun je met een laser naar een hoger energieniveau brengen. Daarvoor moet de laser licht uitzenden met exact de frequentie die past bij de energieovergang. Omdat de frequenties van deze energieovergangen precies vastliggen, kun je deze frequenties gebruiken voor het laten tikken van een ultranauwkeurige klok.
Op dezelfde manier zou je de energieovergang van atoomkernen kunnen gebruiken voor een nucleaire klok, oftewel een kernklok. Dat zou zelfs een robuustere en stabielere klok opleveren, vertelt natuurkundige Thorsten Schumm van de Technische Universiteit Wenen. Atoomkernen zijn namelijk minder gevoelig voor verstoringen zoals temperatuurveranderingen en elektrische velden van omringende apparatuur.
Helaas zijn de energieovergangen van atoomkernen veel groter dan die van elektronen. Je hebt dus veel meer energie nodig om een atoomkern in een hogere energietoestand te brengen. In bijna alle gevallen is zelfs de meest krachtige laser niet sterk genoeg om dat voor elkaar te krijgen.
Naald in een hooiberg
Toch was er nog een flintertje hoop voor de kernklok. In de jaren 1970 bleek uit onderzoek naar het radioactieve verval van uranium naar thorium dat thorium-229-atoomkernen een geval apart konden zijn. Het leek erop dat zij een energieovergang hebben waarbij de energieniveaus zo dicht bij elkaar liggen dat het overbrugbaar is met een zetje van een laser.
Sinds die ontdekking zoeken fysici naar de juiste energie om thorium-229-kernen het felbegeerde sprongetje te laten maken. Maar dat is niet eenvoudig. Niemand wist namelijk welke energie je precies moest hebben, vertelt Schumm. ‘We hebben jarenlang gezocht totdat we uiteindelijk een voldoende klein gebied vonden waarin de energieovergang moest liggen. Toen zijn we met een laser stap voor stap de energieën in dat gebiedje gaan proberen, totdat de atoomkernen reageerde. Dat duurde maanden.’ Die reactie bestaat uit licht dat de atoomkernen uitzenden als ze na ongeveer tien minuten weer terugvallen naar het lagere energieniveau.
Biljoenen atoomkernen
De onderzoeksgroep van Schumm gebruikte bij deze meting een andere techniek dan andere onderzoeksgroepen. In plaats van een losse thoriumatoom te beschijnen met een laser, creëerden ze een kristalstructuur met daarin 1017 atomen – een miljoen keer meer dan er sterren zijn in de Melkweg. Die werden allemaal tegelijkertijd geraakt door het laserlicht.
Het was niet eenvoudig om zoveel thoriumatomen op deze manier bij elkaar te brengen. Maar het zorgde er wel voor dat het effect versterkt werd. Zo lukte het de onderzoekers om de energieovergang te vinden.
Schumm en zijn collega’s zijn nu bezig om de thorium-frequentie nog preciezer te bepalen. ‘Als blijkt dat thorium-kernklokken inderdaad beter kunnen presteren dan de huidige atoomklokken, dan zullen we ook proberen zo’n klok te bouwen’, zegt hij. ‘Ik ga dan niet met pensioen voordat deze nucleaire klok werkelijkheid is.’
