Een alternatief periodiek systeem der elementen, dat zich richt op sterk geladen atomen, onthult nieuwe wetenschap. Dit kan mogelijk helpen bij de zoektocht naar nauwkeurigere optische atoomklokken.
Een nieuwe versie van het periodiek systeem der elementen voorspelt honderden sterk geladen deeltjes genaamd ionen. Die ionen zouden gebruikt kunnen worden om de volgende generatie optische atoomklokken te bouwen.
Het periodiek systeem, voor het eerst gepubliceerd door Dmitri Mendelejev in 1869, groepeert de 118 bekende elementen op basis van hun chemische eigenschappen. Elementen in dezelfde delen van het periodiek systeem hebben vergelijkbare eigenschappen. Die ordening stelde scheikundigen tientallen jaren geleden al in staat om gaten in het systeem aan te wijzen en de elementen te ontdekken die deze gaten opvullen.
Zo lossen we het energieprobleem van computers op: alle berekeningen omdraaien
Om de buitensporige energiebehoefte van AI te beteugelen, zijn computers nodig die hun berekeningen ook in de omgekeerde richting uitvoeren.
Geladen atomen
Het periodiek systeem werkt heel goed voor de meeste chemici. Maar voor sommige fysici, die meer geïnteresseerd zijn in het vinden en gebruiken van hoogenergetische ionen, doet het niet wat ze willen. Zulke geladen deeltjes worden gebruikt in röntgenlasers, bij tumortherapie, in plasma’s, om theorieën over fundamentele fysica te testen en in optische klokken.
‘We wilden zoeken naar sterk geladen ionen voor atoomklokken, om ze veel stabieler en nauwkeuriger te maken’, zegt natuurkundige Chunhai Lyu van het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, Duitsland.
Atomen bestaan uit een kern met protonen en neutronen, met daaromheen elektronen in schillen en subschillen. Atomen bevatten in principe evenveel positief geladen protonen als negatief geladen elektronen. Maar ze kunnen elektronen winnen of verliezen en zo geladen ionen vormen. Een atoom dat veel elektronen verliest, wordt een sterk (positief) geladen ion.
Nieuw periodiek systeem
Het oorspronkelijke periodiek systeem is gerangschikt op basis van het aantal protonen dat een atoom van elk element bevat. Lyu en zijn collega’s hebben dit omgegooid. Ze rangschikten hun systeem op basis van het aantal elektronen in ionen. Zodra het atoom van een bepaald element een of meer elektronen heeft verloren, kan het hetzelfde aantal elektronen hebben als een atoom van een ander element. Dit betekent dat elke cel van dit nieuwe systeem ionen van meerdere elementen kan bevatten die dezelfde configuratie van elektronen delen, zegt Lyu.
Het resulteert in een tabel waarin elke rij een elektronenschil voorstelt en elke kolom een subschil. Dankzij deze indeling konden Lyu en zijn collega’s zogenaamde verboden overgangen voorspellen.
Verboden overgangen
Als een atoom energie absorbeert – bijvoorbeeld door een botsing met een ander atoom – kunnen elektronen van de ene schil of subschil naar de andere bewegen. Volgens de quantumtheorie zijn sommige overgangen veel waarschijnlijker dan andere, afhankelijk van de schillen waartussen elektronen overspringen. Dat heen en weer springen van elektronen in een bepaalde overgang kun je gebruiken om een klok op een vast ritme te laten tikken.
Maar er zijn ook zeldzame, ongebruikelijke overgangen die niet strikt onmogelijk zijn, maar wel zeer onwaarschijnlijk en traag. Deze overgangen staan bekend als ‘verboden overgangen’. Omdat ze langer duren zijn ze erg stabiel. Dat maakt ze ideaal voor het ontwerpen van optische atoomklokken.
Lyu en zijn collega’s hebben hun tabel gebruikt om het bestaan te voorspellen van 700 sterk geladen ionen die gebruikt zouden kunnen worden voor deze overgangen en dus om nauwkeurigere optische atoomklokken te maken.
Mark Leach, een scheikundige die een internetdatabase van periodieke systemen bijhoudt en de Meta-Synthesis scheikundige adviesdienst leidt, zegt dat al die verboden overgangen zouden kunnen bestaan.
Nauwkeurige uurwerken
Nu de overgangen theoretisch zijn voorspeld, zegt Lyu, zou je de energie van een elektronenbundel kunnen afstemmen om met atomen te botsen en zo het hoogenergetische ion te genereren dat je wilt. Met lasers zou je het vervolgens in deze verboden toestand kunnen houden.
Het ion zou je dan experimenteel kunnen meten met spectroscopie – waarbij je kijkt hoe de ionen reageren op licht. Daarmee zou je meer te weten kunnen komen over de energetische structuur van de elektronen die rond de kern draaien. Vervolgens zou je dergelijke ionen kunnen gebruiken om nog nauwkeurigere atoomklokken te maken, zegt hij.
Zulke uurwerken zouden kunnen helpen bij de navigatie van ruimtevaartuigen ver van de aarde, bij het coördineren van satellieten, bij het testen van Albert Einsteins relativiteitstheorie en bij het beheren van quantum-communicatienetwerken.
‘Dit staat heel ver af van het oorspronkelijke idee van het periodiek systeem. Het is een configuratie van sterk geïoniseerde elementen’, zegt mathematisch scheikundige Guillermo Restrepo van het Max Planck Instituut voor Wiskunde in de Wetenschappen in Leipzig, Duitsland. ‘Maar ze hebben interessante en verboden overgangen gevonden, wat een nieuwe weg opent voor het verbeteren van atoomklokken. Dat is echt belangrijk.’
