Bilim insanları dünyanın en doğru atom saatini geliştirdi

Bir saniyenizi ayırın ve onu trilyonlarca ana dönüştürün. Her birini ölçün. Singapur Kuantum Teknolojileri Merkezi’ndeki (CQT) atom saati, zamanı bu kadar hassas bir şekilde ve rekor kıran bir doğrulukla tutuyor. Doğa 23 Eylül’de.

Singapur Ulusal Üniversitesi Fizik Bölümü’nde CQT baş araştırmacısı ve doçent olan ekip lideri Murray Barrett, “Şu anda sahip olduğumuz şeyin dünyadaki en doğru saat olduğuna eminim” diyor.

Araştırmacılar iddialarını, lutesyum elementinden yapılmış atom saatlerinin, farklı elementlerden yapılmış önceki rekor sahiplerinden daha iyi performans gösterdiğini gösteren ölçümlere dayandırıyorlar.

Daha doğru saatler, temel fizikteki bilinmeyenleri araştırmak ve Dünya çapındaki yerçekimsel değişiklikleri izlemek için umut vaat ediyor ve saniyeyi yeniden tanımlamak için yarışıyorlar.

Zaman işleyişinin sınırlarını zorlamak

Atomik saatler, bir atomun elektronlarından birinin enerji seviyelerini değiştirdiği atomik geçişe atıfta bulunarak zamanı tutar. Bu geçişin frekansı atomun sabit bir özelliğidir. Bu “saat geçişine” bir lazer eşleştirilir ve ışık salınımları, zamanı saymak için bir sarkaç gibi hareket eder.

Temel yöntem onlarca yıldır yürürlüktedir. Sezyum atomları 1960’lardan bu yana küresel zaman standardını belirledi ve sezyum atom saatleri halihazırda Küresel Konumlandırma Sistemini (GPS) destekliyor ve iletişim ve taşıma ağlarını senkronize ediyor.

Ancak bilim insanları diğer unsurlarla birlikte zaman işleyişinin sınırlarını zorluyor.

Son rekorların sahipleri iterbiyum, stronsiyum ve alüminyum gibi elementler sezyumdan çok daha hızlı salınım yaparak zamanı daha doğru tutmalarına yardımcı oluyor. Zaman standartlarından sorumlu uluslararası kurum, 2030’da veya sonrasında beklenen saniyenin yeniden tanımlanması için bu tür yeni optik atom saatlerinden elde edilen verileri değerlendiriyor.

CQT ekibi, on yıldan fazla bir süre önce lutetyumun en iyi performans gösteren saatler grubuna katılmak için doğru özelliklere sahip olduğu önsezisiyle çalışmaya başladı. Bildiğimiz kadarıyla şu ana kadar zaman işleyişinde bu elementle çalışan tek grup bu.

Ekip, lutesyum saatinin frekansını 19 ondalık basamağa kadar ölçerek 1 x 10 belirsizlik bildirdi.^-19bugüne kadar herhangi bir optik atom saati için rapor edilen en düşük değer. Araştırmacılar ayrıca iki saat inşa ettiler ve bunların tik taklarını karşılaştırdılar. Saatler 5,7 x 10’luk bir belirsizliğe razı oldu^-19Bu da onu şimdiye kadar yapılmış en hassas saat karşılaştırması yapıyor. Daha fazla ölçüm bu belirsizliği daha da azaltabilir.

Lutesyumun avantajı

Lutesyum’un güçlü performansı atomun özelliklerinden gelir: Saat geçişi sıcaklık veya manyetik alandaki değişikliklerden pek etkilenmez. Diğer elementlerde bu çevresel faktörler saat geçişinin sıklığını biraz değiştirebilir.

Barrett, “Gelecekte bu saatin nasıl geçilebileceğini göremiyorum” diyor. Ekibi, atom saati kurulumunda hassas mühendislik yapmak ve atomun farklı özelliklerini test etmek için on yılı aşkın bir süre harcadı. Bu çalışma, saat geçişini tanımlamak için “aşırı hassas ortalama” adı verilen bir şemanın icat edilmesini içeriyordu.

Barrett, “İyi özellikler, çok çeşitli ortamlarda bile yüksek doğruluğun elde edilebileceği anlamına geliyor” diyor. “Dünya üzerinde kaydedilen en sıcak yerden Ölüm Vadisi’nden Antarktika platosundaki en soğuk yere gitseniz bile lutesyum saati sabit kalacaktır.”

İki birden iyidir

Takımın kendine olan güveni, korelasyon spektroskopisi olarak bilinen bir teknik kullanılarak 200 saatlik ölçümle gerçekleştirilen saat karşılaştırmasıyla daha da güçleniyor.

Her lutesyum saati tek bir şarjlı parçadan oluşur. ¹⁷⁶Saat geçişli Lu+ iyonu, 848 nanometre dalga boyuna sahip bir lazerle eşleşti.

NUS’ta CQT’den kıdemli araştırma bilimcisi ve makalenin ortak baş yazarı Dr. Kyle Arnold, “‘Saati olan bir adam saatin kaç olduğunu bilir. İki saati olan bir adam asla emin olamaz’ diye esprili bir söz vardır” diyor. “Temel olarak size bir standardın doğruluğunu test etmenin tek yolunun saatleri karşılaştırmak ve tekrarlanabilirliği göstermek olduğunu söylüyor.”

İdeal durumda ekip, lutesyum saatini dünyanın diğer en iyi atom saatleriyle de karşılaştırır, ancak bir zorluk var. 10’da optik atom saatleri^-19 Seviye o kadar hassas ki, milimetrelik yükseklik farklarından dolayı yerçekiminin neden olduğu zaman yavaşlamasını tespit edebiliyorlar.

CQT ekibinin karşılaştırma ölçümü, aynı masadaki saatler arasındaki 5 mm’lik yükseklik farkını çözümleyebildi. Bunun ölçümü sınırlamadığından emin olmak için araştırmacılar bağımsız olarak Lu+ iyonlarının yükseklik farkını bir milimetre hassasiyetinde ölçtüler. Dünya üzerindeki yerler arasındaki yer çekimi farklılıkları henüz bu seviyedeki saatleri karşılaştırabilecek kadar iyi bilinmiyor.

Yeni karşılaştırmaları mümkün kılmak ve gelecekteki uygulamaları keşfetmek için saatin laboratuvardan çıkması gerekiyor. Makalenin ortak yazarlarından ve doktora derecesine sahip olan Michael Lee, “Bir sonraki adım, laboratuvar ölçekli saati alıp taşınabilir bir sisteme dönüştürmektir” diyor. NUS ekibindeki öğrenci. Araştırmacılar, doğruluğundan ödün vermeden saatlerini küçültebileceklerini umuyorlar.