Precisie Ontgrendelen: Meten met een Fijngetande Kam

Voor veel mensen klinkt een meting alledaags, zoals streepjes op een liniaal zetten of de lijn op een thermometer aflezen. Het is een stukje data. En ze neigen ertoe te denken dat verbeterde metingen eruitzien als fijner en fijner streepjes op een liniaal. Maar nieuwe metingen maken is meer dan alleen fijner streepjes op een liniaal maken. Om iets te meten is het te begrijpen, het uiteen te halen en te zien hoe het werkt. Nieuwe metingen kunnen mogelijkheden ontgrendelen die zelfs wetenschappers nooit dachten toen ze begonnen. Misschien is er geen betere voorbeeld dan de optische frequentiekam. Heel simpel, dit apparaat is een liniaal voor licht. Toch is het zoveel meer dan een liniaal.

Elektromagnetisch Spectrum en Meetkloof

Radiogolven, microgolven, zichtbaar licht, Röntgenstraling, en infrarood zijn allemaal onderdeel van het spectrum van elektromagnetische frequenties. Ze zijn allemaal golven, die reizen met de snelheid van het licht, maar de afstand tussen de pieken van die golven kan kilometers uit elkaar liggen, zoals sommige radiogolven, of nanometers uit elkaar, zoals zichtbaar licht en ultraviolett.

In de jaren '70 zaten wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) vast. Ze wilden nauwkeurigere en accuratere atoomklokken, gebaseerd op de zeer hoge optische frequenties van licht vrijgegeven door atomen als hun elektronen tussen energietoestanden springen, in tegenstelling tot de lagere microgolfrequenties die ze gebruikten. Betere klokken zouden hen een nauwkeurigere definitie van de seconde geven. Een nauwkeurigere seconde zou hen een betere definitie van de meter geven, wat de afstand is die licht in vacuüm in een minuscule fractie van een seconde aflegt. Maar al dat vertrouwde op het kunnen meten van deze lichtfrequenties nauwkeurig en precies.

Er was een kloof in meting tussen de twee uiteinden van het elektromagnetische spectrum. Wetenschappers konden radio- en microgolfrequenties nauwkeurig meten, maar er waren geen elektronica die snel genoeg konden tellen om bij de atoomoptische frequenties te blijven. Ze konden een laser met een matchende frequentie gebruiken om de atoomoptische frequentie te lezen. Wetenschappers hadden lasers met bekende, exacte frequenties, maar ze konden slechts een enkele frequentie of kleur produceren. Zonder de exacte frequentie van het atoom te weten, zou het vinden van de juiste frequentielaser om het atoom te lezen veel trial and error kosten. NIST-wetenschappers probeerden verschillende lasers van verschillende frequenties in een ketting te schakelen om een rudimentaire optische liniaal te maken. Dat werkte goed genoeg om de meter te herdefiniëren, maar was geen lange-termijnoplossing.

De Frequentiekam: Nobelprijs-winnend Apparaat

De frequentiekam binnen, een Nobelprijs-winnend apparaat, en het resultaat van decennia onderzoek van NIST en anderen. De kam genereert een miljard pulsen licht per seconde, die heen en weer kaatsen binnenin een optische kaviteit. 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. Veel zoals een liniaal, als je weet dat de eerste marker één millimeter is en elke marker een millimeter uit elkaar ligt, kun je gemakkelijk meten. Op dezelfde manier, omdat ze precies weten hoe ver deze frequenties uit elkaar liggen, kunnen wetenschappers deze optische signalen vertalen naar microgolven met een eenvoudige wiskundige formule, de twee uiteinden van het elektromagnetische spectrum verbindend. Dit opent veel onderzoekdeuren.

Toepassingen: Betere Klokken, GPS, Sterrenanalyse, Brandonderzoek, Gasdetectie

De wetenschappers gebruikten deze nieuwe technologie om betere klokken te maken, uiteindelijk klokken ontwikkelend die 100 keer beter zijn dan de cesiumklokken gebruikt voor burgerlijke tijdstandaarden. Nauwkeurigere en preciezere klokken zijn kritiek voor GPS-navigatie, die vertrouwt op precieze tijdsignalen om je locatie te bepalen. Betere klokken hebben ook onderzoeksvoordelen, van het detecteren van kleine zwaartekrachtveranderingen tot het bestuderen van kwantumfenomenen en misschien donkere materie te vinden. Deze klokken kunnen uiteindelijk veranderen hoe we een seconde definiëren.

Alle atomen en moleculen emitteren unieke frequenties van licht wanneer ze tussen energietoestanden springen, niet alleen de atomen gebruikt in klokken. Als een van de frequenties van de kam een atoom of molecuul raakt met de exacte dezelfde frequentie, kunnen wetenschappers identificeren wat voor soort atoom of molecuul ze geraakt hebben. Met de optische frequentiekam kunnen wetenschappers de samenstelling van sterren in uitstekende detail bestuderen. Astrofysici kunnen vertellen of ze een nieuwe planeet gevonden hebben door de veranderingen in frequenties van het sterlicht te meten. Met frequentiekammen kunnen we lichtafstandssystemen verbeteren, die licht van objecten laten kaatsen om ze te detecteren zoals radar of sonar. Ze kunnen objecten door vlammen zien, wat NIST-wetenschappers helpt bestuderen hoe structuren faillen tijdens een brand. De kam wordt ook gebruikt om zelfs de kleinste hoeveelheden broeikasgassen in de lucht te detecteren of ziekte in menselijke adem te zoeken.