رکوردشکنی دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان با لیزری به طول 3.6 کیلومتر

دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان با لیزری به طول ۳.۶ کیلومتر موفق شد رکورد جهانی دقت ساعت قبلی را بشکند.

به گزارش تک‌ناک، پژوهشگران مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) موفق به توسعه این ساعت شده‌اند؛ این ساعت نوری مبتنی بر یون آلومینیوم قادر است ثانیه را تا رقم نوزدهم اعشار اندازه‌گیری کند.

این دستاورد علمی، نه‌تنها رکورد جهانی دقت را جابه‌جا کرده است، بلکه گامی تعیین‌کننده در بازتعریف مفهوم زمان و کاربردهای پیشرفته فیزیک کوانتومی به‌ حساب می‌آید.

به‌ گزارش NIST، ساعت جدید ۴۱ درصد دقیق‌تر و ۲.۶ برابر پایدارتر از رکورددار پیشین عمل می‌کند. در قلب این فناوری، تنها یک یون آلومینیوم قرار دارد، که به‌ دلیل پایداری فوق‌العاده و فرکانس تیک‌تاک بسیار بالا، از اتم سزیم – مرجع فعلی تعریف ثانیه – نیز دقیق‌تر است.

اما کنترل مستقیم این یون دشوار است. از این‌رو، محققان راهکاری خلاقانه به‌کار گرفتند، که اتصال یون آلومینیوم به یون منیزیم در قالب «سیستم همراه» است. یون منیزیم به‌ راحتی با لیزر قابل کنترل می‌باشد و با خنک‌ کردن یون آلومینیوم، امکان خوانش دقیق نوسانات آن را فراهم می‌سازد.

ویلا آرتور-دورشاک، دانشجوی دکتری عضو پروژه، در این‌باره گفت: «این روش با عنوان طیف‌سنجی منطق کوانتومی شناخته می‌شود و نقش کلیدی در افزایش دقت ساعت دارد.»

برای رسیدن به این سطح از دقت، تمام اجزای دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان به‌ صورت دقیق مهندسی و بازطراحی شده‌اند. یکی از چالش‌های اصلی، رفع حرکات ناخواسته یون‌ها موسوم به «ریزحرکت‌های اضافی» بود، که می‌توانست دقت اندازه‌گیری را مختل کند. تیم پژوهشی با طراحی دوباره تله‌ یون، استفاده از ویفری ضخیم‌تر از الماس و بهینه‌سازی پوشش طلایی، موفق شد این اختلال را حذف کند.

همچنین به‌جای محفظه خلأ فولادی معمول، از محفظه‌ای تیتانیومی استفاده شد تا میزان گاز هیدروژن آزادشده – که بر عملکرد یون‌ها تأثیر منفی دارد – تا ۱۵۰ برابر کاهش یابد. این تغییر باعث شد که ساعت بتواند برای روزها بدون نیاز به بازتنظیم فعالیت کند.

یکی دیگر از عناصر کلیدی در این ساعت، بهره‌گیری از یکی از پایدارترین لیزرهای جهان بود، که در آزمایشگاه دکتر جون یه در مؤسسه JILA (وابسته به NIST) توسعه یافته است. پرتوی این لیزر با استفاده از فیبر نوری به طول ۳.۶ کیلومتر (بیش از ۲ مایل) به آزمایشگاه NIST منتقل شد.

در ادامه، شانه‌ فرکانسی – ابزاری که مانند خط‌کش برای نور عمل می‌کند – این امکان را فراهم کرد که لیزر ساعت آلومینیوم از پایداری فوق‌العاده لیزر JILA بهره‌مند شود. این بهبود چشمگیر باعث شد زمان لازم برای انجام اندازه‌گیری‌ها از چند هفته به تنها یک و نیم روز کاهش یابد.

ساعت جدید می‌تواند در بازتعریف جهانی ثانیه، نقش مهمی ایفا کند و دریچه‌ای به‌سوی پیشرفت‌های گسترده در علم و فناوری بگشاید. این فناوری پیشرفته نه‌تنها در توسعه مفاهیم نوین فیزیک کوانتومی و فناوری‌های مرتبط کاربرد دارد، بلکه می‌تواند ابزاری دقیق برای سنجش ژئودزی زمین، بررسی میدان گرانشی و مطالعه تغییرات احتمالی در ثوابت بنیادی طبیعت باشد.

این دستاورد در ادامه مجموعه‌ای از پیشرفت‌های اخیر NIST در حوزه ساعت‌های اتمی است؛ از جمله معرفی ساعت NIST-F4 در ماه آوریل، که هم‌اکنون در فهرست دقیق‌ترین ساعت‌های جهان قرار دارد.