Twee groepen wetenschappers, één in Wenen en de andere in Peking, hebben ’s werelds eerste functionerende nucleaire klokken gebouwd. Binnenin bevinden zich geen wijzers, tandwielen of zelfs maar een wijzerplaat: er zijn kristallen die thorium-229 bevatten, een laser en een systeem dat de frequentie van het licht constant kan houden. De resultaten zijn op 7 oktober 2026 gepubliceerd in twee onderzoeken in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur. En ze zouden het begin kunnen zijn van een nieuwe generatie hulpmiddelen voor het meten van tijd.
De belofte is opmerkelijk: klokken zijn zo nauwkeurig dat ze over een periode van miljarden jaren slechts één seconde fout kunnen accumuleren. Voorlopig zijn we nog ver weg. Prototypes werken, maar geavanceerdere atoomklokken doen het nog steeds beter. Kortom, de toekomst van tijdmeting is in het laboratorium gearriveerd en heeft al iemand gevonden die deze verslaat.
Hoe werkt een nucleaire klok?
Om te begrijpen waarom deze uitvinding belangrijk is, moeten we uitgaan van atoomklokken, die ons vandaag de dag al in staat stellen de tijd met buitengewone precisie te meten.
Traditionele klokken tellen iets dat zich regelmatig herhaalt. Een oude slinger zwaait bijvoorbeeld heen en weer. Een quartzhorloge maakt gebruik van de trillingen van een kristal. Atoomklokken gebruiken in plaats daarvan de eigenschappen van atomen, die energie op zeer specifieke frequenties kunnen absorberen.
Een atoom bestaat uit een centrale kern, bestaande uit protonen en neutronen, omgeven door elektronen. Deze laatste kunnen van het ene energieniveau naar het andere gaan door energie te absorberen of uit te zenden. Atoomklokken benutten juist deze overgangen om een uiterst regelmatige referentie te hebben. Kernklokken doen iets anders: ze maken gebruik van energieveranderingen die direct in de kern van het atoom plaatsvinden, een gebied dat ruim tienduizend keer kleiner is dan het atoom zelf.
De keuze kan een groot voordeel bieden. De kern is minder gevoelig voor veel externe verstoringen, zoals elektromagnetische velden, die metingen kunnen verstoren. Er is echter een probleem: normaal gesproken zijn er zeer grote hoeveelheden energie nodig om de energietoestand van een kern te veranderen. En dit is waar een nogal specifiek element een rol speelt.
Thorium-229, het element dat de klok mogelijk maakte
De protagonist van de twee experimenten is thorium-229, een bijzondere radioactieve versie van thorium. Het meest interessante kenmerk is dat het twee kernenergietoestanden heeft die heel dicht bij elkaar liggen. Dit betekent dat het, in tegenstelling tot wat er met de meeste andere atoomkernen gebeurt, mogelijk is om de overgang van de ene toestand naar de andere te veroorzaken met behulp van een ultraviolette laser. De onderzoekers plaatsten thorium-229-kernen in kleine calciumfluoridekristallen en verlichtten ze vervolgens met een laser die was afgestemd op een zeer nauwkeurige frequentie.
De werking lijkt op die van een te stemmen muziekinstrument. Wanneer de laser de juiste frequentie bereikt, absorberen de kernen energie en veranderen ze van toestand. Als de frequentie zelfs maar een klein beetje verschuift, neemt de absorptie af. Het systeem merkt dit op en grijpt in om de laser weer op de juiste frequentie te brengen. Op deze manier worden de thoriumkernen de referentie waardoor het horloge een regelmatig ritme kan behouden.
De groep van de Technische Universität Wien, de Technische Universiteit van Wenen, onder leiding van de natuurkundige Thorsten Schumm, heeft een prototype gemaakt dat zichzelf automatisch kan corrigeren, zonder voortdurend afhankelijk te zijn van een andere atoomklok. Het apparaat bleef ruim 24 uur stabiel zonder externe tussenkomst. Een belangrijk resultaat, omdat het aantoont dat het systeem autonoom kan functioneren.
Wenen en Peking: twee nucleaire klokken, twee verschillende resultaten
De onderzoeksgroepen werkten onafhankelijk van elkaar en hun resultaten verschenen in hetzelfde nummer van Natuur. In het in Wenen uitgevoerde onderzoek hebben wetenschappers aangetoond dat het mogelijk is thoriumkernen te gebruiken om de laserfrequentie continu te corrigeren en een nucleaire klok te bouwen die zichzelf kan stabiliseren.
De groep van de Tsinghua Universiteit in Peking heeft in plaats daarvan een systeem gecreëerd dat, bij kortetermijnmetingen, een stabiliteit heeft bereikt die ongeveer zes keer groter is dan die in Wenen. Wees echter voorzichtig: dit betekent dat de frequentie van het Chinese apparaat minder fluctueert binnen het beschouwde bereik, zonder te bewijzen dat het in totaal zes keer nauwkeuriger is.
De Chinese onderzoekers vergeleken ook twee afzonderlijk geproduceerde kristallen en verkregen zeer goede resultaten. Een nuttige stap om te begrijpen of deze apparaten in de toekomst gemakkelijker kunnen worden gebouwd en gereproduceerd. Voorlopig worden we echter geconfronteerd met experimentele prototypes. Geen van beide is bereid de instrumenten te vervangen die de officiële tijd reguleren.
Hoe nauwkeurig zijn ze vergeleken met atoomklokken?
Volgens gegevens van de Technische Universiteit van Wenen bereikte het Oostenrijkse prototype een nauwkeurigheid die, uitgedrukt in intuïtieve termen, overeenkomt met ongeveer één seconde fout per 30 miljoen jaar.
Al genoeg voor iemand die normaal gesproken twintig minuten te laat komt natuurlijk. Toch is dit resultaat in het onderzoek naar precisiehorloges nog geen record. Cesium-atoomklokken die als referentie worden gebruikt voor het definiëren van de tweede kunnen het beter doen, terwijl de meer geavanceerde optische laboratorium-atoomklokken nog betere prestaties leveren.
Waarom dan zoveel jaren onderzoek naar nucleaire klokken investeren? Omdat de werking ervan ons in staat zou kunnen stellen enkele beperkingen van de huidige instrumenten te overwinnen. Atoomkernen zijn relatief beschermd tegen interferentie van buitenaf, en door kristallen te gebruiken die veel kernen bevatten, zouden onderzoekers stabielere signalen en compactere apparaten kunnen verkrijgen.
De huidige prestaties hangen ook af van de kracht van de lasers, de kwaliteit van de kristallen en het vermogen om de omstandigheden van het experiment te controleren. Het verbeteren van deze elementen zou de nauwkeurigheid aanzienlijk kunnen vergroten. De mogelijkheid om over miljarden jaren slechts één seconde te verliezen blijft daarom een doelstelling, die nog experimenteel moet worden aangetoond.
Omdat ze ons kunnen helpen donkere materie te bestuderen
Het interessantste vooruitzicht gaat echter verder dan de constructie van steeds nauwkeurigere horloges. Onderzoekers hopen deze hulpmiddelen te gebruiken om enkele fysische verschijnselen te bestuderen die zeer moeilijk waar te nemen zijn, te beginnen met donkere materie. Astronomen weten dat er een grote hoeveelheid materie in het heelal is die geen licht uitstraalt en die we niet rechtstreeks kunnen waarnemen. De aanwezigheid ervan wordt vooral afgeleid uit de zwaartekrachteffecten die het uitoefent op sterren, sterrenstelsels en andere kosmische structuren.
We weten nog steeds niet uit welke deeltjes het bestaat. Volgens sommige hypothesen zouden bepaalde vormen van donkere materie kleine variaties kunnen veroorzaken in de fundamentele constanten van de natuurkunde, dat wil zeggen in sommige hoeveelheden die het gedrag van materie en natuurlijke krachten beschrijven.
Als deze variaties zouden bestaan, zouden ze zelfs de frequenties die door de meest gevoelige horloges worden gebruikt, enigszins kunnen veranderen. Door uiterst nauwkeurige metingen te vergelijken, konden wetenschappers op zoek gaan naar sporen ervan. Het Weense team heeft de nieuwe nucleaire klok al gebruikt om dit soort onderzoek uit te voeren. De experimenten hebben donkere materie niet direct gedetecteerd, maar hebben ons in staat gesteld een aantal mogelijkheden te beperken die door theoretische modellen worden voorspeld.
Het resultaat wordt beschreven in het onderzoek dat is gepubliceerd op Natuursamen met de technische kenmerken van het prototype. Nucleaire klokken zouden ook nuttig kunnen zijn voor het nauwkeuriger verifiëren van enkele fundamentele natuurwetten en voor het opsporen van verschijnselen die de huidige instrumenten niet kunnen detecteren.
Om daar te komen zijn betere lasers, efficiëntere kristallen en meer experimenten nodig. Ondertussen zijn twee laboratoria er na decennia van onderzoek in geslaagd apparaten te laten werken die tot een paar jaar geleden vooral bestonden in projecten van wetenschappers. Ze hebben de atoomklokken nog niet verslagen. Ze zijn echter begonnen de tijd te meten met behulp van een deel van het atoom dat tot voor kort vrijwel onbereikbaar leek met een laser.
