Laserpuls met atoomklokprecisie

Henk Klomp

Natuurkundigen van de Vrije Universiteit hebben een wereldrecord in spectroscopie gevestigd. Ze maten extreem uv-frequenties tot negen cijfers nauwkeurig. De resultaten zijn augustus gepubliceerd in Physical Review Letters.

‘Geen meting is nauwkeuriger dan een frequentiemeting’, zegt Kjeld Eikema van de Vrije Universiteit, ‘niet voor niets zijn de standaards voor de meter en de seconde gebaseerd op frequentiemetingen. Hoe meer oscillaties per seconde, hoe hoger de precisie. Wij laten nu zien hoe je zulke precisie haalt bij frequenties in het extreem uv.’

 

De huidige metrologische precisie, die bijvoorbeeld wordt toegepast in positiebepalingen met gps, is mogelijk met femtolasers, lasers die tegelijk zo’n miljoen verschillende kleuren licht in fase in ultrakorte hoogvermogen pulsjes wegspuwen. De frequenties van die kleuren liggen in het spectrum precies evenveel Hertz uit elkaar. Dit wordt een frequentiekam genoemd. ‘Je kunt het vergelijken met de centimeterstreepjes van een meetlat. Je kunt nu een frequentie bepalen door te zoeken met welke uit die rij kleuren hij samenvalt. Tot nu toe waren er nog geen meetlatten in het extreem uv. We hebben er nu eentje die tot golflengten van vijftig nanometer reikt’, aldus Eikema.

 

Daarmee ontsluiten de natuurkundigen van de VU een nieuw spectroscopisch gebied voor precisiemetingen. In het extreem uv ligt bijvoorbeeld de straling van hete sterren, maar ook de energie die nodig is om sterke atoombindingen te verbreken. Eikema en zijn team slaagden er inmiddels in met de hoogste precisie ooit de ionisatie-energie van het heliumatoom te bepalen.

 

De metingen aan het heliumatoom zijn een belangrijke nieuwe testcase voor de theorie van de quantumelektrodynamica, die de laatste tijd onder druk staat vanwege metingen aan het esoterische muoniumdeeltje. ‘Onze waarde blijkt echter precies in overeenstemming te zijn met de quantumelektrodynamica. Onze volgende stap is de ionisatie-energie van het heliumion te bepalen. Daarvoor hebben we golflengten rond de dertig nanometer nodig.’

 

De natuurkundigen maakten de frequentiekam door femtopulsjes infraroodlicht in een pluim van het edelgas krypton te schieten. ‘We bouwden een unieke versterker die de intensiteit van de pulsjes tien miljoen keer opschroeft, zonder de puls te veranderen. Als de puls voorbijkomt zwiept het elektronen uit het atoom, die in het wisselveld weer terugkeren en kortgolvige straling uitzenden. Een deel van de straling heeft een frequentie die een veelvoud is, een zogeheten harmonische, van de frequenties in het oorspronkelijke signaal. Je kunt daarmee een frequentiekam maken voor extreem uv.’

 

Hoewel er momenteel nog nauwelijks optische componenten zijn voor metrologie en spectroscopie in extreem uv en zachte röntgen, maken de frequentiekammen in de toekomst bijvoorbeeld hyperatoomklokken of nauwkeuriger bepalingen van overgangen in atomen bij korte golflengtes mogelijk. De kammen stellen een nieuwe norm aan de accuratesse. ‘Hoe hoger de frequentie, hoe meer oscillaties binnen een seconde en hoe nauwkeuriger een klok theoretisch kan zijn.

 

Atoomklokken met een precisie van meer dan vijftien cijfers zijn gebaseerd op overgangen in het optische gebied. Voorspeld is dat thorium een kernovergang heeft in het extreem uv die uiterst smal is. In Duitsland proberen natuurkundigen die waarde te vinden. Met onze frequentiekammen en deze overgang kun je een kernklok bouwen die nog orden van grootte nauwkeuriger is dan een atoomklok.’