پژوهشگران مرکز فناوریهای کوانتومی (CQT) در سنگاپور دقیقترین ساعت اتمی جهان را با استفاده از لوتسیم در هسته آن ساختهاند. این دستاورد تنها از نظر عملکرد ساعت مهم نیست، بلکه از آن رو نیز اهمیت دارد که نخستین بار است لوتسیم به کار گرفته میشود؛ در حالی که پژوهشگران معمولاً برای ساخت ساعتهای اتمی ایتربیم، استرانسیم یا آلومینیم را ترجیح میدهند.
ساعتهای اتمی دقیقترین ساعتهای ساختهشده تاکنون هستند. این ساعتها در عملیات جهانی از ناوبری تا ترافیک اینترنت و از مخابرات تا تراکنشهای بانکی که به زمانسنجی بسیار دقیق نیاز دارند، نقشی حیاتی ایفا میکنند. ساعت اتمی زمان را با اندازهگیری گذار میان سطوح انرژی الکترونهای یک اتم به کمک لیزر نگه میدارد.
نوسانهای میان سطوح انرژی همچون پاندولی برای شمارش زمان عمل میکنند و این روش با اتمهای سزیم استاندارد شده است؛ همان اتمهایی که در ساعتهای اتمی پشتیبان سامانه موقعیتیاب جهانی (GPS) و شبکههای ارتباطی رایج امروز به کار میروند.
با این حال، پژوهشگران کوشیدهاند دقت این سامانهها را با استفاده از اتمهای دیگری مانند ایتربیم، استرانسیم و آلومینیم بهبود دهند؛ اتمهایی که سریعتر از سزیم نوسان میکنند و از این رو دقیقترند.
روی آوردن به لوتسیم
پژوهشگران مرکز CQT در سنگاپور بیش از یک دهه پیش برای ساعت اتمی خود به لوتسیم روی آوردند، زیرا تغییرات دما یا میدان مغناطیسی بر گذار آن اثری ندارد.
تیمی به سرپرستی موری بارت، پژوهشگر اصلی مرکز CQT و دانشیار دانشگاه ملی سنگاپور (NUS)، بخش بزرگی از یک دهه گذشته را صرف مهندسی دقیق چیدمان ساعت و آزمودن ویژگیهای گوناگون این اتم کرد.
بارت در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد: «این ویژگیهای مطلوب به این معناست که دقت بالا حتی در گستره وسیعی از محیطها قابل دستیابی است. ساعت لوتسیمی حتی اگر از گرمترین نقطه ثبتشده روی زمین در دره مرگ به سردترین نقطه فلات جنوبگان بروید، پایدار خواهد ماند.»
این ساعت از یک یون باردار ۱۷۶Lu+ تشکیل شده که گذار آن با لیزری به طول موج ۸۴۸ نانومتر همتطبیق شده است. پژوهشگران همچنین ناچار شدند روش تازهای برای تعریف گذار ساعت ابداع کنند که آن را «میانگینگیری فوقریز» مینامند.
این تیم در آزمایشهای خود بسامد ساعت لوتسیمی را تا ۱۹ رقم اعشار با عدم قطعیت ۱ در ۱۰ به توان منفی ۱۹ اندازهگیری کرد که کمترین مقدار برای یک ساعت اتمی نوری تا امروز است.
اندازهگیری دقت
هرگاه تیم پژوهشی مدعی ساخت دقیقترین ساعت اتمی شود، ادعای خود را با مقایسه دقت آن با بهترین ساعت موجود تأیید میکند.
اما در مورد ساعت لوتسیمی، سطح دقت چنان بالاست که میتواند کند شدن زمان بر اثر گرانش را حتی با اختلاف ارتفاع چند میلیمتر تشخیص دهد؛ امری که با بهترین ساعتهای اتمی موجود قابل مقایسه نیست.
از این رو پژوهشگران ساعت لوتسیمی دیگری ساختند و تیکزدن آن را مقایسه کردند تا به عدم قطعیت ۵٫۷ در ۱۰ به توان منفی ۱۹ برسند که بالاترین دقت ثبتشده تاکنون است. برای انجام مقایسههای بیشتر و توسعه کاربردهای دیگر، این ساعت باید از آزمایشگاه بیرون بیاید. بارت و تیمش اکنون روی کوچکسازی آن کار خواهند کرد تا قابل حمل باشد.
یافتههای این پژوهش در نشریه نیچر منتشر شده است.