De Amsterdamse natuurkundige Florian Schreck krijgt een subsidie van tien miljoen euro om samen met andere natuurkundigen de nauwkeurigste klok ter wereld geschikt te maken voor gebruik in de maatschappij.

De nauwkeurigste klok van de wereld is zo accuraat, dat als hij bij het ontstaan van het heelal was aangezet, zo’n veertien miljard jaar geleden, hij nu maximaal één seconde uit de pas zou lopen. Handig is deze optische atoomklok niet. Het apparaat beslaat een volledig laboratorium en er zijn twee promovendi nodig om hem te bedienen. Dankzij een Europese subsidie van tien miljoen euro gaan de Amsterdamse natuurkundige Florian Schreck en partners van andere universiteiten en uit het bedrijfsleven nu een beter te hanteren versie van de klok maken.

FLORIAN SCHRECK is hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam.
Beeld: J.W. Steenmeijer

Zijn onze klokken nog niet nauwkeurig genoeg?
‘Voor de meeste toepassingen wel. Maar zoals het altijd met technologische ontwikkeling gaat: goed genoeg is niet goed genoeg. Een nieuwe technologie opent weer nieuwe mogelijkheden. Zo is gps bijvoorbeeld op een paar meter nauwkeurig. Dit kan een paar centimeter worden als de optische atoomklokken die wij gaan maken in satellieten of zendmasten terechtkomen. Misschien is dit niet zo interessant als je op maandagochtend met de auto naar je werk rijdt, maar des te meer voor geologen. Zij kunnen dan precies allerlei processen op aarde bijhouden, zoals de beweging en vervorming van de aardkorst om de kans op aardbevingen te bepalen.’

Hersentrainings-apps missen wetenschappelijke onderbouwing
LEES OOK

Hersentrainings-apps missen wetenschappelijke onderbouwing

Een boel apps claimen dat ze hun gebruikers slimmer ­maken. Deze hersentrainings-­apps zijn niet alleen vrij saai, hun effect op onze prestaties is ...

‘Ook in de astronomie zijn er prachtige toepassingen. Als je de klokken van alle radiotelescopen op aarde gelijk kunt zetten, heb je effectief één telescoop die net zo groot is als de aarde zelf. En hoe groter de telescoop, hoe meer je kunt zien. Daarnaast kun je met een nauwkeurige klok zelfs de zwaartekracht meten. Tijd verandert onder invloed van zwaartekracht, zoals Einstein beschreef, en als je zo’n klok één meter optilt, kun je dit verschil al zien.’

Gaan we er in het dagelijks leven ook wat van merken?
‘Een praktischere toepassing ligt in de hoek van de telecommunicatie. Hoe beter telecommunicatienetwerken met elkaar zijn gesynchroniseerd, hoe beter ze presteren. Dat leidt tot nog beter en sneller internet via je smartphone! Verder zijn er ongetwijfeld nog talloze andere toepassingen waar we nu nog niet aan denken. Als nieuwe technologieën op brede schaal beschikbaar komen, vindt de industrie onvermijdelijk manieren om die technologie in te zetten – op manieren die we ons op dit moment nog niet eens kunnen voorstellen.’

Ook de eerste ‘gewone’ atoomklok was nogal fors. Het apparaat dat in 1955 in Engeland is ontwikkeld, werkte op basis van trillende cesiumatomen en had een afwijking van 1 seconde per 300 jaar.

Hoe weet je of een supernauwkeurige klok gelijk blijft lopen? Heb je daar niet een nog nauwkeurigere klok voor nodig?
‘Omgevingsfactoren zoals temperatuur en magnetisch veld kunnen de klok verstoren. Het is dus zaak deze factoren zo goed mogelijk te controleren. Als je een aantal van deze klokken maakt, kun je ze met elkaar vergelijken. Als ze op verschillende plekken staan, zijn de omgevingsfactoren ook anders, dus kun je het effect daarvan op de klokken bepalen.’

Hebben wij over tien jaar allemaal een optische atoomklok in onze telefoon?
‘Het doel is om over tien jaar een volledig transportabele optische atoomklok te hebben, zodat die kan worden gebruikt in bijvoorbeeld satellieten. De optische apparatuur maakt alles groot en duur. Misschien zou de klok kunnen worden verkleind tot het formaat van twee koelkasten en zou de prijs kunnen worden teruggebracht tot een ton, maar dat is nog steeds geen bedrag dat een consument wil betalen. Maar ja, je weet maar nooit, misschien gaat een smartphonefabrikant ermee aan de haal.’

Hoe bent u betrokken geraakt bij het ontwikkelen van deze ultranauwkeurige klok?
‘Wij doen fundamenteel onderzoek. Een belangrijke experimentele doorbraak die wij onlangs in ons lab hadden, blijkt goed van pas te komen voor het bouwen van een handzame optische atoomklok. Min of meer tegelijkertijd meldde een onderzoeksgroep van de Universiteit van Birmingham optische atoomklokken voor de industrie te willen bouwen. We hebben de handen ineengeslagen om samen met partners uit het bedrijfsleven de klokken te realiseren. Zo zie je dat fundamenteel onderzoek kan leiden tot mooie toepassingen, zonder dat van tevoren bekend is wat die zullen zijn.’

Een recente doorbraak, een bron van ultrakoude strontiumatomen, blijkt goed van pas te komen voor het bouwen van een handzame optische atoomklok.
Beeld: iqClock

Extreem nauwkeurig

Alles in het heelal, de mens incluis, is opgebouwd uit atomen. Deze staan niet stil, maar trillen met een bepaalde frequentie. Van één soort atoom is de frequentie overal in het heelal, op elk moment, precies hetzelfde. Een perfecte basis voor een klok dus. Zo’n atoomklok, die de trillingen gebruikt om het tikken van de klok aan te sturen, bestaat al langer en vind je bijvoorbeeld in gps-satellieten. Om een preciezere klok te maken kun je sneltrillende atomen gebruiken. De trilling van die atomen past goed bij de frequentie van zichtbaar licht. Daardoor kan een laser die op het atoom schijnt de trillingsfrequentie overnemen, net zoals een springtouw mee gaat trillen als je het handvat op en neer beweegt. De laser stuurt op zijn beurt het tikken van de klok aan. De klok die Florian Schreck met zijn collega’s wil bouwen is helemaal bijzonder: de atomen produceren zelf de laser, waardoor die automatisch de juiste frequentie heeft en uiterst stabiel is.

Dit artikel verscheen eerder deze week in Het Parool.