Bilim insanları dünyanın en doğru saatini üretti

Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Kuantum Teknolojileri Merkezinde (CQT) lutesyum elementinden üretilen atom saati, zaman tutma doğruluğu için yeni bir ölçüt belirledi.

Nature dergisinde yayımlanan sonuçlar, saatin geçiş frekansını 19 ondalık basamağa kadar ölçtüğünü ve 1 × 10 üzeri eksi 19 belirsizlik sağladığını gösteriyor.

Bu oran, bugüne kadar herhangi bir optik atom saati için bildirilen en düşük değer olarak kayıtlara geçti.

CQT Baş Araştırmacısı ve Singapur Ulusal Üniversitesi Fizik Bölümü Doçenti Murray Barrett, şu anda sahip oldukları saatin dünyanın en hassas saati olduğundan emin olduğunu söyledi.

Lutesyumun sıcaklık dalgalanmalarına karşı direnci

Atom saatleri, bir atomun elektronu sabit bir frekansta enerji seviyelerini değiştirdiğinde meydana gelen bir olay olan atomik geçişe kilitlenerek zamanı tutuyor.

Bir lazer bu saat geçişiyle eşleşecek şekilde ayarlanıyor ve ışığının salınımları tıpkı bir sarkacın sallanması gibi zamanı işaretliyor.

CQT saatinde bu referans, geçişi 848 nanometre dalga boyuna sahip bir lazerle eşleşen lutesyum-176'nın elektrik yüklü tek bir atomundan veya iyonundan geliyor.

Sıcaklık değişiklikleri ve manyetik alanlar, bir atom saatinin zamanı ölçmek için kullandığı geçiş frekansını değiştirebiliyor.

Bu nedenle araştırmacıların saatin doğruluğunu değerlendirirken bu etkileri hesaba katması gerekiyor. Lutesyumun saat geçişi bu ikisinden de neredeyse hiç etkilenmiyor ve bu durum saate daha geniş bir koşul yelpazesinde sabit kalan bir referans sağlıyor.

Barrett, bu özelliklerin çok çeşitli ortamlarda bile yüksek doğruluğa ulaşılabileceği anlamına geldiğini belirterek lutesyum saatinin, Dünya üzerinde kaydedilen en sıcak yer olan Ölüm Vadisi'nden Antarktika platosundaki en soğuk yere gidilse bile sabit kalacağını aktardı.

Ekip, özelliklerinin onu zaman tutma açısından en iyi elementler arasına sokabileceğini düşünerek lutesyumu on yıldan uzun bir süre önce araştırmaya başladı.

Bu olasılığı çalışan bir saate dönüştürmek, yıllarca süren hassas mühendislik ve atomun özelliklerinin ölçülmesini gerektirdi.

Araştırmacılar ayrıca saat geçişini tanımlamak için aşırı ince ortalama adı verilen bir yöntem icat etti. Ekip, bilindiği kadarıyla zaman tutma için lutesyumla çalışan tek grup olmaya devam ediyor.

Milimetreler bir saatin işleyişini değiştirdiğinde

Araştırmacılar iki lutesyum saati üretti ve korelasyon spektroskopisi adı verilen bir teknik kullanarak 200 saat boyunca işleyişlerini karşılaştırdı.

Saatler 5,7 × 10⁻¹⁹ belirsizlik içinde uyum sağladı. Bu durum şimdiye kadar bildirilen en hassas saat karşılaştırması oldu. Daha fazla ölçüm yapmanın bu belirsizliği daha da azaltabileceği ifade ediliyor.

NUS Kuantum Teknolojileri Merkezinde kıdemli araştırmacı ve makalenin ortak başyazarı olan Kyle Arnold, saati olan bir kişinin saatin kaç olduğunu bildiğine ancak iki saati olan bir kişinin asla emin olamadığına dair esprili bir söz olduğunu hatırlattı. Arnold, bunun temel olarak bir standardın doğruluğunu test etmenin tek yolunun saatleri karşılaştırmak ve tekrarlanabilirliği göstermek olduğunu anlattığını söyledi.

Yerçekimi zamanın geçişini yavaşlatarak farklı yüksekliklerdeki saatlerin biraz farklı hızlarda çalışmasına neden oluyor. 10⁻¹⁹ seviyesinde çalışan optik atom saatleri, bu etkiyi sadece milimetrelik yükseklik farklarında algılayabiliyor.

CQT karşılaştırması, aynı masadaki saatler arasındaki 5 milimetrelik farkı çözebiliyor. Bu farkın karşılaştırmayı sınırlamasını önlemek için araştırmacılar iki lutesyum iyonunun bağıl yüksekliklerini birbirinden bağımsız olarak bir milimetrenin altında ölçtü.

Yerçekimine olan bu hassasiyet, lutesyum saatinin dünyanın önde gelen diğer atom saatleriyle karşılaştırılmasını da zorlaştırıyor. Dünya üzerindeki konumlar arasındaki yerçekimi farkları, etkilerini saatlerin bu doğruluk seviyesindeki performanslarındaki farklılıklardan ayıracak kadar iyi bilinmiyor.

Barrett, gelecekte bu saatin nasıl geçilebileceğini göremediğini ifade etti.

Sezyum saniyesinin ötesinde

Sezyum atomları 1960'lardan bu yana saniyeyi tanımlamak için referans sağlarken sezyum atom saatleri küresel konumlama sistemini destekliyor, iletişim ve ulaşım ağlarını senkronize ediyor.

Optik saatler çok daha yüksek geçiş frekansları kullanarak aynı aralıkta sayılması için daha fazla salınım veriyor ve zamanı daha doğru ölçmeye yardımcı oluyor.

Son rekor sahipleri iterbiyum, stronsiyum ve alüminyum kullanmıştı. CQT ekibi lutesyum saatinin bu elementlerin performansını geride bıraktığını bildiriyor.

Bu saatler geliştikçe, zaman standartlarından sorumlu uluslararası kuruluş, 2030'da veya sonrasında beklenen saniyenin yeniden tanımlanması için ölçümlerini değerlendiriyor.

Saatlerin yerçekimine olan duyarlılıkları laboratuvar dışında da yararlı hale gelerek araştırmacıların Dünya genelindeki yerçekimi değişikliklerini izlemesine olanak tanıyacak. Daha hassas saatler, temel fizikteki çözülmemiş soruların araştırılmasına da yardımcı olacak.

NUS ekibinde doktora öğrencisi ve makalenin ortak başyazarı olan Michael Lee, bir sonraki adımın laboratuvar ölçekli saati taşınabilir bir sistem haline getirmek üzere küçültmek olduğunu söyledi.

Saati laboratuvar dışına taşımanın yeni karşılaştırmalara olanak tanıyacağı ve araştırmacıların bu uygulamaları keşfetmesine izin vereceği belirtiliyor. Ekip, saati doğruluğundan ödün vermeden daha küçük hale getirebileceğini öngörüyor.