Metingen doen met een fijngetande kam

Voor veel mensen klinkt een meting alledaags, zoals het markeren van teken op een liniaal of het lezen van de lijn op een thermometer. Het is een gegeven. En ze hebben de neiging om te denken dat verbeterde metingen eruit zien als fijnere en fijnere tikken op een liniaal. Maar nieuwe metingen doen is meer dan alleen fijnere markeringen maken op een liniaal. Iets meten is het begrijpen, het uit elkaar trekken en kijken hoe het werkt. Nieuwe metingen kunnen mogelijkheden ontsluiten waar zelfs wetenschappers nooit aan hadden gedacht toen ze begonnen. Misschien is er geen beter voorbeeld dan de optische frequentiekam. Heel eenvoudig, dit apparaat is een liniaal voor licht. Toch is het zoveel meer dan een liniaal.

Radiogolven, microgolven, zichtbaar licht, röntgenstralen en infrarood maken allemaal deel uit van het spectrum van elektromagnetische frequenties. Het zijn allemaal golven die met de snelheid van het licht reizen, maar de afstand tussen de toppen van die golven kan kilometers uit elkaar liggen, zoals sommige radiogolven, of nanometers uit elkaar, zoals zichtbaar licht en ultraviolet.

In de jaren zeventig zaten wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) vast. Ze wilden nauwkeurigere en nauwkeurigere atoomklokken, gebaseerd op de zeer hoge optische frequenties van licht die door atomen worden vrijgegeven wanneer hun elektronen tussen energietoestanden springen, in tegenstelling tot de lagere microgolffrequenties die ze gebruikten. Betere klokken zouden hen een nauwkeurigere definitie van de tweede geven. Een preciezere seconde zou hen een betere definitie van de meter geven, namelijk de afstand die licht in een kleine fractie van een seconde in een vacuüm aflegt. Maar dat alles was afhankelijk van het nauwkeurig en precies kunnen meten van deze lichtfrequenties.

Er was een gat in de meting tussen de twee uiteinden van het elektromagnetische spectrum. Wetenschappers konden radio- en microgolffrequenties nauwkeurig meten, maar er was geen elektronica die snel genoeg kon tellen om de optische frequenties van het atoom bij te houden. Ze zouden een laser met een bijpassende frequentie kunnen gebruiken om de optische frequentie van het atoom te lezen. Wetenschappers hadden lasers met bekende, exacte frequenties, maar ze konden slechts één enkele frequentie of kleur produceren. Zonder de exacte frequentie van het atoom te kennen, zou het vinden van de juiste frequentielaser om het atoom te lezen veel vallen en opstaan. NIST-wetenschappers probeerden verschillende lasers van verschillende frequenties aan elkaar te koppelen om een ​​rudimentaire optische liniaal te maken. Dat werkte goed genoeg om de meter opnieuw te definiëren, maar was geen oplossing voor de lange termijn.

Betreed de frequentiekam, een Nobelprijswinnend apparaat en het resultaat van tientallen jaren onderzoek van NIST en anderen. De kam genereert een miljard lichtpulsen per seconde, die heen en weer kaatsen in een optische holte. Dit creëert miljoenen pieken van optische frequenties die eruitzien als regenboogkleurige tanden op een kam (vandaar de naam). De eerste tand in die kam is ingesteld op een bekende frequentie, wat wetenschappers een startpunt geeft om de andere frequenties te lezen. Net als bij een liniaal, als u weet dat de eerste markering één millimeter is en elke markering een millimeter uit elkaar ligt, kunt u gemakkelijk beginnen met meten. Evenzo, omdat ze precies weten hoe ver deze frequenties uit elkaar liggen, kunnen wetenschappers deze optische signalen naar microgolven vertalen met een eenvoudige wiskundige formule, die de twee uiteinden van het elektromagnetische spectrum verbindt. Dit opent veel onderzoeksdeuren.

De wetenschappers gebruikten deze nieuwe technologie om betere klokken te maken en ontwikkelden uiteindelijk klokken die 100 keer beter zijn dan de cesiumklokken die worden gebruikt voor civiele tijdstandaarden. Nauwkeurigere en preciezere klokken zijn van cruciaal belang voor GPS-navigatie, die afhankelijk is van nauwkeurige tijdsignalen om uw locatie te bepalen. Betere klokken hebben ook onderzoeksvoordelen, van het detecteren van kleine veranderingen in de zwaartekracht tot het bestuderen van verschijnselen van de kwantumwereld en misschien het vinden van donkere materie. Deze klokken kunnen uiteindelijk veranderen hoe we een seconde definiëren.

Alle atomen en moleculen zenden unieke lichtfrequenties uit wanneer ze tussen energietoestanden springen, niet alleen de atomen die in klokken worden gebruikt. Als een van de frequenties van de kam een ​​atoom of molecuul raakt met exact dezelfde frequentie, kunnen wetenschappers identificeren wat voor soort atoom of molecuul ze hebben geraakt. Met behulp van de optische frequentiekam konden wetenschappers de samenstelling van sterren tot in de kleinste details bestuderen. Astrofysici kunnen zien of ze een nieuwe planeet hebben gevonden door de veranderingen in frequenties van het sterlicht te meten. Met behulp van frequentiekammen kunnen we lichtbereiksystemen verbeteren, die licht weerkaatsen van objecten om ze te detecteren, zoals radar of sonar. Ze kunnen objecten door vlammen zien, wat NIST-wetenschappers helpt te bestuderen hoe constructies falen tijdens een brand. De kam wordt ook gebruikt om zelfs de kleinste hoeveelheden broeikasgassen in de lucht te detecteren of om ziekten in de menselijke adem op te sporen.