فهرست مطالب
پژوهشگران سنگاپوری ساعت اتمی مبتنی بر لوتتیوم ساختهاند که با عدمقطعیت ۱.۲×۱۰⁻¹⁹ به رکورد جدیدی در دقت زمانسنجی رسیده است.
به گزارش سرویس فناوری تکناک،آزمایشهای انجامشده روی ساعت اتمی جدید مبتنی بر لوتتیوم نشان میدهد این ساعت نهتنها با فناوریهای موجود از نظر سرعت تیکتاک قابل مقایسه است، بلکه احتمالاً از آنها نیز دقیقتر عمل میکند.
موری بارت، فیزیکدان دانشگاه ملی سنگاپور، میگوید: «اطمینان دارم چیزی که اکنون در اختیار داریم، دقیقترین ساعت جهان است.»
ساعتهای اتمی چگونه زمان را اندازهگیری میکنند؟
ساعتهای اتمی نوری با استفاده از الکترونها بهعنوان آونگ، زمان را اندازهگیری میکنند.
همانطور که وزنه متحرک درون ساعت پاندولی با الگویی دقیق حرکت میکند، الکترونی که مقدار مشخصی انرژی دریافت کند نیز با فرکانسی قابل اعتماد میان حالتهای کوانتومی جابهجا میشود.
اتمهای عناصر مختلف، زمان را با اختلافهای بسیار جزئی اندازهگیری میکنند.
از دهه ۱۹۶۰، سزیم عنصر اصلی در ساخت ساعتهای اتمی بوده است، هرچند پژوهشگران ساعتهایی مبتنی بر فلزات دیگری مانند ایتربیوم و استرانسیم نیز ساختهاند تا از ویژگیهای خاص این عناصر استفاده کنند.
یکی از ویژگیهای مطلوب در ساعت اتمی، پایین بودن عدمقطعیت سیستماتیک است.
در هر فرایند، پژوهشگران باید میان حساسیت و قابلیت اطمینان تعادل برقرار کنند تا الکترونها به پالس لیزر واکنش نشان دهند و سپس بدون خطا یک نشانه نوری مشخص تولید کنند.
بیشتر بخوانید: نصب نخستین ساعت اتمی کوانتومی بر روی زیردریایی بدون سرنشین
چرا لوتتیوم برای ساخت ساعت اتمی مناسب است؟
لوتتیوم در میان عناصری که در ساعتهای اتمی نوری استفاده میشوند، جرم اتمی بالایی دارد.
این عنصر با جرم اتمی ۷۱ در انتهای سری لانتانیدها و درست پس از ایتربیوم قرار گرفته است و به همین دلیل، احتمال نوسان آن کمتر است.
لوتتیوم همچنین واکنش بسیار کمی به تابش حرارتی و تغییرات میدانهای مغناطیسی نشان میدهد.
این ویژگی باعث میشود عوامل محیطی فرصت کمتری برای ایجاد خطا در اندازهگیری داشته باشند.
این عنصر با فرکانسی حدود ۱۰ هزار برابر سزیم کار میکند و در نتیجه میتواند مادهای بسیار دقیق و قابل اعتماد برای اندازهگیری زمان در مقیاسهای بسیار کوچک باشد.
بارت میگوید: «ویژگیهای مناسب این عنصر باعث میشود حتی در طیف گستردهای از محیطها بتوان به دقت بالایی دست یافت. ساعت لوتتیوم حتی اگر از گرمترین مکان ثبتشده روی زمین در دره مرگ تا سردترین نقطه فلات جنوبگان منتقل شود، پایدار باقی میماند.»
با این حال، لوتتیوم کمیابترین عنصر از میان عناصر نادر خاکی زمین است و پژوهشگران نیز درباره ویژگیهای آن برای زمانسنجی اطلاعات محدودی در اختیار دارند.
بارت و تیمش طی یک دهه گذشته روی رفع این کمبود دانش کار کردهاند و اکنون نتایج مورد انتظار خود را به دست آوردهاند.
بیشتر بخوانید: رکوردشکنی دقیقترین ساعت اتمی جهان با لیزری به طول 3.6 کیلومتر
ساعت لوتتیوم رکورد دقت را شکست
پژوهشگران عملکرد ساعت جدید را با مقایسه دو ساعت لوتتیومی تحت شرایطی که بر اساس معیارهای سختگیرانه تعیین شده بود، بررسی کردند.
سالها آزمایش روی سامانه ساعت و اتم باردار لوتتیوم به تیم تحقیقاتی کمک کرد میزان عدمقطعیت را تا سطحی کاهش دهد که این ساعت را در میان دقیقترین نمونههای موجود قرار میدهد.
پژوهشگران آکادمی علوم چین نیز در اوایل سال جاری میلادی با استفاده از سامانهای مبتنی بر یونهای کلسیم، به عدمقطعیت سیستماتیک ۴.۴ × ۱۰⁻¹⁹ دست یافته بودند.
مقایسه دو ساعت لوتتیومی، عدمقطعیت سیستماتیک تنها ۱.۲ × ۱۰⁻¹⁹ را نشان داد. پژوهشگران میگویند این رقم ممکن است با انجام اندازهگیریهای بیشتر، باز هم بهبود پیدا کند.
دستیابی به چنین دقتی بهشدت دشوار است. اثر گرانش بر گذر زمان حتی در فاصلهای چند میلیمتری نیز هنگام تقسیم ثانیه به تریلیونها بخش قابل مشاهده میشود.
بنابراین، حتی تفاوتی تقریباً نامحسوس در فاصله دو ساعت از مرکز زمین میتواند باعث اختلاف میان اندازهگیریهای آنها شود.
با وجود این، همین حساسیت بالا است که چنین ساعتهایی را بسیار کاربردی میکند.
تنها با چنین سطحی از دقت میتوان آزمایشهایی را طراحی کرد که شاید در آینده به حل اختلاف دیرینه میان برداشت پیوسته نظریه نسبیت عام از گرانش و ماهیت گسسته واقعیت در مکانیک کوانتومی کمک کنند.
آیا لوتتیوم تعریف ثانیه را تغییر میدهد؟
در کنار کاربردهای علمی، پرسش دیگری نیز مطرح است: واحد بنیادی زمان، یعنی ثانیه، تا چه اندازه باید دقیق تعریف شود؟
در حال حاضر، یک ثانیه برابر با ۹ میلیارد و ۱۹۲ میلیون و ۶۳۱ هزار و ۷۷۰ جهش فوقریز الکترون است که با امواج مایکروویو در اتم سزیم-۱۳۳ در حالت پایه تحریک میشود.
اکنون این پرسش مطرح است که آیا لوتتیوم میتواند عملکرد بهتری برای تعریف و اندازهگیری ثانیه ارائه دهد؟
بارت در اینباره میگوید: «در آینده، واقعاً نمیبینم چگونه میتوان این ساعت را شکست داد.»
