Laser spectroscopy of trapped Ra+ ions: towards a single-ion optical clock

Promotie: dhr. O.O. Versolato, 16.15 uur, Aula Academiegebouw, Broerstraat 5, Groningen

Proefschrift: Laser spectroscopy of trapped Ra+ ions: towards a single-ion optical clock

Promotor(s): prof.dr. K. Jungmann, prof.dr. R.G.E. Timmermans

Faculteit: Wiskunde en Natuurwetenschappen

Wordt de seconde opnieuw gedefinieerd op een radium-ion in Groningen?

Het radium-ion (Ra⁺) is een veelbelovende kandidaat voor precisie-experimenten voor atoomklokken, concludeert Oscar Versolato in zijn proefschrift. Hij verrichtte zijn onderzoek aan het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI).

Elke klok bestaat in principe uit twee onderdelen, namelijk ten eerste een mechanisme dat de tikken aangeeft (de oscillator, bijvoorbeeld de slinger van een pendule) en ten tweede een mechanisme dat het aantal tikken telt en daarmee de tijd registreert. De nauwkeurigheid van de oscillator wordt aangegeven door een formule waarin de frequentie van de oscillator gedeeld wordt door onzekerheid in die frequentie en het aantal keren dat de meting van de frequentie kan worden herhaald.

Klokken zijn door de eeuwen heen telkens verbeterd. De uitvinding van de atoomklok vormt daarbij een markante mijlpaal. In 1945 legde Nobelprijswinnaar Isidor Isaac Rabi in de New York Times uit dat kwantumeffecten in atomen gebruikt kunnen worden om zeer precieze oscillatoren te maken. Die zijn gebaseerd op de energieverschillen tussen de banen die elektronen rond de kern afleggen. Het resultaat was de cesiumatoomklok, die sinds 1967 de basis vormt voor de definitie van de seconde. De seconde is tegenwoordig gedefinieerd als de duur van 9.192.631.770 perioden van de straling die behoort bij de overgang tussen twee elektronbanen in de grondtoestand van het¹³³cesiumatoom.

Op het KVI in Groningen wordt momenteel een opstelling gebouwd waarin een enkel radium-ion kan worden gevangen en stilgezet. De frequentie-onzekerheid wordt daardoor heel erg klein, wat een zeer grote nauwkeurigheid oplevert. In zijn proefschrift beschrijft Oscar Versolato waarom radium-ionen geschikt zijn om zeer nauwkeurige oscillatoren te maken. Ze bezitten kwantumovergangen die met laserlicht gemeten kunnen worden; enkele daarvan hebben bovendien een relatief lange levensduur. Ondanks dat er in de KVI-opstelling met één atoom zal worden gewerkt, is het signaal vrij groot, omdat de kwantumtoestanden van het enkele ion door miljoenen verstrooide laser-fotonen kunnen worden gesignaleerd.

Versolato onderzocht de bruikbaarheid van verschillende overgangen in verschillende Ra⁺isotopen en berekende bijbehorende onzekerheden. Zo vond hij enkele uitstekende klokkandidaten. Een overgang in²²³Ra⁺bij een golflengte van 828nm bleek bijvoorbeeld bijzonder geschikt. Deze overgang kan volgens Versolato gebruikt worden om een compacte, robuuste en goedkope klok te maken met een frequentieonzekerheid van 10^-17.

Als over enkele jaren de bouw van een nieuwe experimentele opstelling in het KVI klaar is, zal onderzoek mogelijk zijn naar radium-isotopen voor klokken die nóg nauwkeuriger kunnen zijn, verwacht de promovendus. Hij denkt aan een frequentie-onzekerheid van 10^-18. De atoomklok zal in de toekomst dus een nauwkeurigheid hebben van 17 tot 18 cijfers achter de komma. Versolato: ‘Misschien wordt de seconde dan opnieuw gedefinieerd, gebaseerd op een enkel gevangen en lasergekoeld radium-ion op het KVI in Groningen’.

Oscar Versolato (Oldenzaal, 1983) studeerde natuur- en sterrenkunde in Groningen. Het onderzoek werd uitgevoerd aan het KVI en gefinancierd door een Toptalent-beurs van NWO. Versolato gaat door in het onderzoek als postdoc aan het Max Planck Instituut in Heidelberg.