Herbeoordeling van Tijd en Ruimte – Hoe Thorium een Rol Gaat Spelen

Het concept van tijd en ruimte heeft wetenschappers altijd gefascineerd. Alles wat we om ons heen zien functioneert binnen een temporeel en ruimtelijk kader. Albert Einstein zei beroemd, “Een mens is een deel van het geheel, door ons ‘Universum’ genoemd, een deel dat beperkt is in tijd en ruimte.” 

Echter, onze beoordelingen van tijd en ruimte blijven evolueren met de vooruitgang die in de wetenschap is geboekt en ons filosofisch begrip ervan. 

Een van de nieuwste toevoegingen aan deze evolutionaire stroom, iets dat baanbrekend of revolutionair kan zijn, komt van de bijdragen van een onderzoek team geleid door prof. Thorsten Schumm van de TU Wien (Wenen). De verwachting is dat dit onderzoek de weg kan vrijmaken voor revolutionaire hoogprecisie-technologieën, waaronder nucleaire klokken. 

Atomaire Kern Geëxciteerd met Laser: Het Intrigerende Geval van de Thoriumtransitie

De wetenschappelijke gemeenschap probeert al lange tijd een zeer specifieke toestand van thoriumatomaire kernen te bereiken die zou helpen bij het bouwen van nucleaire klokken die voorspellender zijn in hun tijdmeting dan de beste beschikbare atoomklokken van vandaag. 

Op een hoger niveau zouden zulke minutieuze tijdmetingen helpen de kernstellingen van de theoretische fysica te herzien, inclusief de vraag over de natuurconstanten: Zijn deze constanten onaantastbaar, of veranderen ze in ruimte en tijd? 

Om tijd zo nauwkeurig te meten zou het nodig zijn de exacte energie te kennen om thorium te exciteren tot het punt van zijn atomaire overgang. Dankzij het onderzoek waar we het over hebben, is die energie nu tot op het exacte niveau bekend. Daarom is het voor het eerst mogelijk om een atomaire kern via een laser naar een hoger energieniveau te brengen en vervolgens zijn terugkeer naar de oorspronkelijke staat te volgen. 

Dit fenomeen is ook een baanbrekende prestatie omdat het de eerste keer is dat twee verschillende gebieden van de fysica—kwantumfysica en kernfysica—samengevoegd konden worden tot één geheel. Het onderzoek vereiste de ontwikkeling van speciale thorium-bevattende kristallen. 

Sinds de jaren 70 zijn wetenschappers zich bewust van de mogelijkheid van een speciale atomaire kern die gemanipuleerd kan worden met een laser. Echter, succes vereist het kennen van de energieniveaus van de overgang met extreme precisie. Volgens prof. Thorsten Schumm:

“Het kennen van de energie van deze overgang tot binnen één elektronvolt is van weinig nut als je de juiste energie moet treffen met een precisie van één miljoenste van een elektronvolt om de overgang te detecteren.” 

Om in deze missie te slagen, die destijds bijna onmogelijk klonk, ontwikkelde het team kristallen die een groot aantal thoriumatomen bevatten. 

Fabian Schaden, de onderzoeker die verantwoordelijk was voor het ontwerpen van deze kristallen in Wenen, had het volgende te zeggen om de betrokken complexiteit uit te leggen:

 “Hoewel dit technisch nogal complex is, heeft het als voordeel dat we niet alleen individuele thoriumkernen op deze manier kunnen bestuderen, maar ongeveer tien tot de macht zeventien thoriumkernen tegelijk met de laser kunnen raken – ongeveer een miljoen keer meer dan het aantal sterren in ons sterrenstelsel.” 

De aanwezigheid van een groot aantal thoriumkernen versterkte het effect, verkortte de benodigde meettijd en vergrootte de kans om de energietransitie daadwerkelijk te vinden. 

Hoe belangrijk was deze doorbraak? Volgens Thorsten Schumm:

“Voor ons is dit een droom die uitkomt.” Hij vervolgde: “We zijn verheugd dat wij nu degenen zijn die de cruciale doorbraak kunnen presenteren: De eerste gerichte laserexcitatie van een atomaire kern.” 

Klik hier voor de lijst van de vijf beste nucleaire aandelen om in te investeren.

De Impact van Succes op de Concepten van Tijd en Ruimte

Het succes dat met dit onderzoek is behaald, zal leiden tot meer geavanceerde precisie-instrumenten. De klokken zullen de oscillatie van het licht dat de thoriumtransitie activeert gebruiken om nieuwe varianten te worden die nauwkeuriger kunnen zijn dan de beste vandaag beschikbare atoomklokken.

Het fenomeen kan ook helpen de zwaartekrachtsvelden van de aarde nauwkeuriger te analyseren, wat kan bijdragen aan het lokaliseren van minerale hulpbronnen en het aangeven van de nabijheid van aardbevingen met grotere precisie. 

De onderzoekers weten nog niet zeker wat het volledige spectrum van toepassingsmogelijkheden is, maar ze zijn er zeker van dat het potentieel onbeperkt kan zijn. In de woorden van Thorsten Schumm:

“Onze meetmethode is slechts het begin. We kunnen nog niet voorspellen welke resultaten we ermee zullen behalen. Het zal zeker heel spannend zijn.”

Dit onderzoek kan bedrijven die geavanceerde precisieklokken ontwikkelen enorm ten goede komen. Hieronder staan een paar van die bedrijven. 

#1. Microsemi

Microsemi staat wereldwijd bekend om zijn mogelijkheden op het gebied van atoomklokken. Dit zijn klokken waarvan de elektrische oscillator wordt gereguleerd door de natuurlijke trillingfrequenties van een atomaire systeem, zoals cesiumatomaire stralen, ammoniakatomen of rubidium. 

De atoomklokken van Microsemi staan bekend om het leveren van meer dan 90% van de invoer aan de Universele Gecoördineerde Tijd (UTC). Het is ook ‘s werelds enige commerciële leverancier van cesiumstraalbuisklokken, die te vinden zijn in nationale laboratoria wereldwijd.

Het bedrijf positioneert zich als de toonaangevende leverancier van gascel-atoomklokken, waaronder de Chip Scale Atomic Clock (CSAC), ‘s werelds kleinste en laagst energieverbruikende atoomklok, en de Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi stelt dat haar cesium-atoomklokken bijzonder nuttig zijn in de communicatie. Deze klokken kunnen GNSS/GPS-technologie zeer efficiënt ondersteunen voor frequentie-, tijd- en fase-toepassingen. 

Cesium presteert met een afwijking van UTC met een nauwkeurigheid van 1×10-12. Het maakt een cesiumklok mogelijk die GNSS/GPS kan ondersteunen zonder prestatieverlies voor frequentietoepassingen. Het maakt de holdover-modus mogelijk voor tijd- en fase-toepassingen. 

Echter, met het succes van het ‘thoriumtransitie’-onderzoek heeft Microsemi nu de middelen om een nauwkeurigere en fijner afgestelde klok te ontwikkelen. 

Over het geheel genomen is Microsemi Corporation een volledig dochteronderneming van Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). In het fiscale jaar 2023, Microchip registreerde een netto-omzet van meer dan US$8,4 miljard. In FY 2023 keerde het bedrijf $1,64 miljard uit aan zijn aandeelhouders, vergeleken met $0,9 miljard in het fiscale jaar 2022.

#2. General Atomics

In oktober 2021 verklaarde General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) dat het de NASA Jet Propulsion Laboratory Deep Space Atomic-missie had voltooid. Volgens de president van GA-EMS, Scott Forney:

“Het succes van de DSAC-missie aan boord van de OTB effent de weg voor toekomstige inspanningen om kritieke ruimtegebaseerde technologieën te verbeteren en ze in een baan te krijgen met betrouwbare, robuuste satellietontwerpen.”

De DSAC was een miniaturiseerde, buitengewoon precieze kwik-ion atoomklok. Volgens de beoordeling van General Atomics toonde deze een aanzienlijk verbeterde timingstabiliteit ten opzichte van andere atoomklokken die op GPS-satellieten in gebruik zijn. Hij kon tijd consistent meten over lange periodes en ondersteunde navigatie en verkenning van de diepe ruimte. 

Het is begrijpelijk dat General Atomics een bedrijf is dat aanzienlijk zou profiteren van het ‘Thoriumtransitie’-onderzoek. 

In de kern is General Atomics een defensie- en gediversifieerd technologiebedrijf. In 2023 behaalde het bedrijf een omzet van US$3,1 miljard. 

Terwijl de nucleaire klok gericht is op meer precisie, blijven wetenschappers oplossingen ontwikkelen die een nieuwe generatie atoomklokken hebben voortgebracht. In een experiment bij de Europese XFEL röntgenlaser maakten de onderzoekers gebruik van het element scandium. 

Een Zeer Nauwkeurige Atoomklok: Gebruik van Scandium voor Extreem Hoge Nauwkeurigheidsnormen

De onderzoekers maakten gebruik van scandium om een nauwkeurigheid te bereiken van één seconde in 300 miljard jaar, wat een  duizend keer nauwkeuriger is dan de huidige standaarden van atoomklokken gebaseerd op cesium.

Net als de thoriumtransitie die we aan het begin bespraken, konden de onderzoekers bij de Europese XFEL een veelbelovende overgang in de kern van scandium exciteren. Scandium is gemakkelijk verkrijgbaar als hoogzuivere metalen folie of als de verbinding scandiumdioxide. De benodigde energie om het nauwkeurig te exciteren voor dit doel vereiste röntgenstralen met een energie van 12,4 kilo-elektronvolt (keV), ongeveer 10.000 keer de energie van zichtbaar licht. 

Het heeft een breedte van slechts 1,4 femto-elektronvolt (eV) en 1,4 quadriljoenste van een elektronvolt, wat slechts ongeveer één tiende van een biljoenste van de excitatie-energie (10‑19) is. Het hielp een nauwkeurigheid van 1:10.000.000.000.000 te bereiken, gelijk aan één seconde in 300 miljard jaar.

Bij het uitleggen van de potentiële voordelen van dit onderzoek en het succes, konden de onderzoekers veel zaken aanwijzen. Bijvoorbeeld, atoomklokken met verbeterde nauwkeurigheid kunnen satellieten helpen nauwkeuriger te worden gepositioneerd. De onderzoekers benadrukten ook het potentieel van de atoomklok als een wegopenend middel voor toekomstige nucleaire klokken. 

Volgens de projectleider van het experiment, Yuri Shvyd’ko van Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten:

“De doorbraak in resonante excitatie van scandium en de precieze meting van zijn energie opent nieuwe wegen, niet alleen voor nucleaire klokken, maar ook voor ultrahoge-precisie spectroscopie en precisiemetingen van fundamentele fysieke effecten.”

Door uit te wijden over het potentieel van dit onderzoek, had Olga Kocharovskaya van Texas A&M University in de VS, initiatiefnemer en leider van het project, het volgende te zeggen:

“Bijvoorbeeld, zo’n hoge nauwkeurigheid zou het mogelijk maken om gravitatie-tijdvervorming te onderzoeken op sub-millimeter afstanden. Dit zou studies van relativistische effecten op lengteschalen mogelijk maken die tot nu toe ontoegankelijk waren.” 

Samengevat, deze innovatie, net als die we over de thoriumtransitie hebben gelezen, had verschillende voordelen. Op één niveau betekenden deze voordelen dat het fenomeen direct werd toegepast om nieuwe oplossingen te ontwikkelen. Op een ander niveau waren de voordelen in de vorm van nieuwe geopende horizon. Op het gebied van theoretische fysica zouden deze nieuw geopende wegen leiden tot efficiëntere oplossingen. 

De Precisieklok die Strontium Benutte

We hebben al gekeken naar hoe Thorium en scandium gebruikt zijn om tijd en ruimte tot in het kleinste detail te herzien. In 2022, onderzoekers onderzochten het potentieel van Strontium in dit opzicht. 

Het onderzoek omvatte een groep Amerikaanse wetenschappers. Ze beweerden een apparaat te hebben gebouwd dat 50 keer nauwkeuriger was dan zijn atoomklokgenoten. 

Volgens Jun Ye, verbonden aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder, kon de klok, naast zijn precisie-eigenschappen, ontdekkingen in de kwantummechanica en paradigma’s die de dynamiek van de subatomaire wereld sturen, introduceren.

De oplossing onderzocht met succes de netwerken van licht, bekend als optische roosters. Deze roosters konden atomen op een ordelijke manier vangen en voorkomen dat de atomen door zwaartekracht veroorzaakte val of bewegingen die tot een verlies van nauwkeurigheid leiden. De precisieklok bestond uit 100.000 strontiumatomen. Elk is op elkaar gestapeld in een pannenkoekachtige vorm om een hoogte van ongeveer 1 millimeter te vormen.

Terwijl hij de fascinerende kenmerken van de klok uitlegde, zei Ye: 

“Ruimte en tijd zijn verbonden. En met zo’n precieze tijdmeting kun je zien hoe de ruimte in realtime verandert—de aarde is een levendig, levend lichaam.”

Net als andere klokken die we tot nu toe hebben besproken, was Ye enthousiast over het potentieel van deze klok om een geheel nieuw tijdperk van de fysica in te luiden. De klok kon tijdsverschillen over 200 micron detecteren. Verlaagd tot 20 micron kon hij de innerlijke dynamiek van de kwantumwereld efficiënter onderzoeken.

Herbeoordeling van Tijd en Ruimte met Thorium en Meer: Slotwoorden

Naast het openen van nieuwe dimensies over de temporele en ruimtelijke aard van ons universum, dienen deze superprecisieklokken tal van doeleinden, waaronder het verbeteren van onze telecommunicatie- en navigatiesystemen. 

Volgens Andrew Ludlow, een natuurkundige van het National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado:

“Er zijn veel toepassingen [voor klokken] die alleen een zeer goede stabiliteit nodig hebben, en dan is er een reeks toepassingen waarbij alleen stabiliteit niet genoeg is, en je ook nauwkeurigheid nodig hebt.”

Deze supersensitieve apparaten kunnen elke kleine rimpel in ruimte-tijd meten. Ze kunnen zwaartekrachtsgolven detecteren op frequenties die bijna ontoegankelijk zijn voor onze conventionele oplossingen. Een hoogpresterend ruimte-tijd meetapparaat kan de kleinste gravitationele veranderingen die diep onder de grond plaatsvinden waarnemen om signaalcondities aan te geven die voorlopers zijn van een aardbeving of vulkaanuitbarsting. 

Samengevat, de mogelijkheden zijn onbeperkt, en wetenschappers kunnen in de komende dagen meer elementen ontdekken zoals thorium, scandium en strontium die de manier waarop we ruimte en tijd zien zullen revolutioneren. 

Klik hier om te leren of warp drive fictie of de toekomst is.