Elektronengolven in een kwantumvijver
Rydbergatomen bevinden zich in een soort aangeslagen toestand. Dit betekent dat het atoom een hoger energieniveau heeft dan zijn grondtoestand, maar nog wel aan een fase is gebonden.
De atomen worden bestookt met lasers om hun elektronen naar extreem hoge energietoestanden te duwen, waardoor de elektronen verder van de atoomkern verwijderd raken.
Daarom zullen de elektronen bewegen in banen die verder weg zijn van de atoomkern dan normaal. Dit beschrijft de Rydbergtoestand van het atoom, die deel uitmaakt van een zogeheten golfpakket.
Wanneer Rydberggolfpakketten botsen met andere golfpakketten die erop lijken, kan interferentie optreden, waarbij ze zich vermengen en unieke golfpatronen vormen.
En als je meerdere van deze golfpakketten in dezelfde ‘kwantumvijver’, zoals de onderzoekers het noemen, hebt, krijg je allerlei unieke mengpatronen.
Elk uniek patroon vertegenwoordigt de unieke tijd die het nodig heeft gehad om zich te ontvouwen, vergeleken met alle andere patronen in zijn omgeving. Hierdoor ontstaan tijdstempels: een soort vingerafdruk in de tijd.
1,7 biljoenste van een seconde
In een reeks experimenten testten de onderzoekers deze tijdstempels om te zien of ze konden dienen als een nieuwe manier om tijd te meten.
Meer praktisch kan de kwantumstopwatch vertellen hoe lang heliumatomen in een Rydbergtoestand hebben bestaan. Dus er worden veranderingen in de posities van elektronen in een atoom gemeten.
Door deze heliumatomen te bombarderen met een laserpuls in combinatie met korte pulsen ultraviolet licht, konden de wetenschappers de tijd in een spectrum meten.
De tijd die de kwantumstopwatch kan meten lijkt voor ons misschien oneindig klein, maar op kwantumniveau kunnen zelfs korte tijdsintervallen als een seconde miljoenen jaren lijken.
De hoop is dat wetenschappers met de methode momenten vanaf 1,7 biljoenste van een seconde kunnen meten, zonder gebruik te maken van wijzerplaten of tellers.
Meer precies deden de onderzoekers metingen tot 81 picoseconden (een triljoenste seconde), met een foutmarge van slechts acht femtoseconden (een quadriljoenste seconde).
‘Als je een pointer gebruikt, moet je het nulpunt definiëren. Dan tel je vanaf een punt in de tijd,’ vertelt een van de onderzoekers achter de klok, Marta Berholts van de universiteit van Uppsala, aan online media New Scientist.
‘Het voordeel hiervan is dat je de klok niet hoeft te starten – je kijkt gewoon naar de interferentiestructuur en zegt: oké, het is 4 nanoseconden geleden.’
De onderzoekers denken de kwantumstopwatch te kunnen gebruiken in kwantumcomputers en andere toepassingen voor ingewikkelde berekeningen. Het zal dus nog wel even duren voordat een kwantumpolshorloge in de winkels ligt.