بیگ بنگ: ساعت‌های لوتتیمی به رکورد جدیدی در دقت و دقتِ مقایسه دست یافته‌اند و به گزینه‌هایی امیدوارکننده برای استانداردهای آینده زمان‌سنجی و اندازه‌گیری گرانش تبدیل شده‌اند.
یک ساعت اتمی که از عنصر لوتتیم در مرکز فناوری‌های کوانتومی(CQT) دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) ساخته شده است، معیار جدیدی برای دقت زمان‌سنجی تعیین کرده است.
نتایج یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که این ساعت توانسته فرکانس گذار اتمی خود را تا ۱۹ رقم اعشار اندازه‌گیری کند و عدم‌قطعیتی برابر با ۱ × ۱۰⁻¹⁹ به دست آورد؛ رقمی که در زمان انتشار مقاله، کمترین عدم‌قطعیت گزارش‌شده برای هر ساعت اتمی نوری محسوب می‌شود.
“موری برت” سرپرست تیم پژوهش، محقق اصلی CQT و دانشیار گروه فیزیک دانشگاه ملی سنگاپور، می‌گوید: «مطمئنم چیزی که اکنون در اختیار داریم، دقیق‌ترین ساعت جهان است.»
مقاومت لوتتیم در برابر تغییرات دما
ساعت‌های اتمی با قفل‌شدن روی یک گذار اتمی زمان را اندازه‌گیری می‌کنند؛ رویدادی که زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون یک اتم بین دو تراز انرژی جابه‌جا می‌شود و این فرایند در یک فرکانس مشخص رخ می‌دهد. یک لیزر طوری تنظیم می‌شود که با این «گذار ساعتی» مطابقت داشته باشد و نوسان‌های نور آن، درست مانند نوسان‌های یک آونگ، معیار اندازه‌گیری زمان را فراهم می‌کنند.
این ساعت جدید از یک اتم باردار الکتریکی یا یون منفرد لوتتیوم-۱۷۶ (¹⁷⁶Lu⁺) به دست می‌آید که گذار آن با لیزری با طول موج ۸۴۸ نانومتر تطبیق داده شده است. تغییرات دما و میدان‌های مغناطیسی می‌توانند فرکانس گذاری را که یک ساعت اتمی برای اندازه‌گیری زمان استفاده می‌کند، تغییر دهند.
بنابراین پژوهشگران هنگام ارزیابی دقت ساعت باید اثر این عوامل را در نظر بگیرند. اما گذار ساعتی لوتتیم تقریباً تحت تأثیر هیچ‌کدام از این دو عامل قرار نمی‌گیرد. این ویژگی باعث می‌شود ساعت بتواند در دامنه وسیع‌تری از شرایط محیطی، یک مرجع زمانی پایدار ارائه دهد.
برت می‌گوید: «این ویژگی‌های مطلوب باعث می‌شوند بتوان به دقت بسیار بالا، حتی در طیف گسترده‌ای از محیط‌ها، دست یافت. ساعت لوتتیمی حتی اگر از گرم‌ترین مکان ثبت‌شده روی زمین، یعنی دره مرگ، به سردترین نقطه فلات جنوبگان منتقل شود، همچنان پایدار باقی می‌ماند.»
تیم پژوهشی بیش از یک دهه پیش بررسی لوتتیم را آغاز کرد. آنها احتمال می‌دادند ویژگی‌های این عنصر بتواند آن را در میان بهترین گزینه‌ها برای زمان‌سنجی قرار دهد. اما تبدیل این احتمال به یک ساعت واقعی، سال‌ها مهندسی بسیار دقیق و اندازه‌گیری ویژگی‌های اتم را می‌طلبید.
پژوهشگران همچنین روشی به نام «میانگین‌گیری فوق‌ریزساختار» (Hyperfine Averaging) ابداع کردند تا گذار ساعتی را تعریف کنند. تا آنجا که آنها می‌دانند، همچنان تنها گروه پژوهشی در جهان هستند که از لوتتیوم برای زمان‌سنجی استفاده می‌کند.
وقتی چند میلی‌متر می‌تواند تیک‌تاک ساعت را تغییر دهد
پژوهشگران دو ساعت لوتتیمی ساختند و عملکرد تیک‌تاک آنها را طی ۲۰۰ ساعت با استفاده از روشی به نام طیف‌سنجی همبستگی (Correlation Spectroscopy) با یکدیگر مقایسه کردند. دو ساعت با عدم‌قطعیت ۵٫۷ × ۱۰⁻¹⁹ با یکدیگر مطابقت داشتند؛ رقمی که دقیق‌ترین مقایسه بین دو ساعت تاکنون گزارش‌شده محسوب می‌شود. اندازه‌گیری‌های بیشتر می‌تواند این عدم‌قطعیت را حتی پایین‌تر بیاورد.
گرانش حتی زمان را هم تغییر می‌دهد
گرانش باعث کند شدن گذر زمان می‌شود. در نتیجه، ساعت‌هایی که در ارتفاع‌های متفاوت قرار دارند، با نرخ‌هایی اندکی متفاوت تیک می‌زنند. ساعت‌های اتمی نوری که در سطح دقت ۱۰⁻¹⁹ کار می‌کنند، آن‌قدر حساس‌اند که می‌توانند این اثر را حتی در اختلاف ارتفاع‌هایی در حد چند میلی‌متر آشکار کنند.
مقایسه انجام‌شده توسط CQT می‌توانست اختلاف ارتفاعی در حدود ۵ میلی‌متر، معادل حدود ۰٫۲ اینچ، میان دو ساعت روی یک میز را تشخیص دهد. برای اینکه همین اختلاف ارتفاع باعث محدود شدن دقت مقایسه نشود، پژوهشگران ارتفاع نسبی دو یون لوتتیم را به‌طور مستقل اندازه‌گیری کردند و توانستند آن را با دقتی کمتر از یک میلی‌متر تعیین کنند.
اما همین حساسیت فوق‌العاده به گرانش، مقایسه ساعت لوتتیمی با دیگر ساعت‌های اتمی پیشرفته جهان را نیز دشوار می‌کند. تفاوت‌های گرانشی میان مکان‌های مختلف روی زمین هنوز با دقت کافی شناخته نشده‌اند تا بتوان اثر آنها را از تفاوت‌های واقعی در عملکرد ساعت‌ها، در چنین سطحی از دقت، جدا کرد. برت می‌گوید: «در آینده، واقعاً نمی‌بینم که چگونه بتوان این ساعت را شکست داد.»
فراتر از ثانیه سزیمی
اتم‌های سزیم از دهه ۱۹۶۰ مرجع تعریف «ثانیه» بوده‌اند. ساعت‌های اتمی سزیمی همچنین از سامانه‌هایی مانند GPS پشتیبانی می‌کنند و برای هماهنگ‌سازی شبکه‌های ارتباطی و حمل‌ونقل مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما ساعت‌های اتمی نوری از فرکانس‌های گذار بسیار بالاتری استفاده می‌کنند.
این موضوع به آنها اجازه می‌دهد در یک بازه زمانی یکسان، تعداد نوسان‌های بسیار بیشتری را بشمارند و در نتیجه، زمان را با دقت بالاتری اندازه‌گیری کنند. رکوردداران اخیر در این حوزه از عناصری مانند ایتربیوم، استرانسیم و آلومینیوم استفاده کرده‌اند؛ عناصری که عملکرد ساعت آنها اکنون توسط ساعت لوتتیمی تیم CQT پشت سر گذاشته شده است.
آیا تعریف ثانیه تغییر خواهد کرد؟
با پیشرفت این ساعت‌ها، نهاد بین‌المللی مسئول استانداردهای زمان در حال بررسی اندازه‌گیری‌های آنها برای بازتعریف ثانیه است؛ تغییری که انتظار می‌رود در سال ۲۰۳۰ یا پس از آن انجام شود. حساسیت این ساعت‌ها به گرانش می‌تواند کاربردهایی فراتر از آزمایشگاه نیز داشته باشد.
برای مثال، آنها می‌توانند به پژوهشگران اجازه دهند تغییرات گرانشی در نقاط مختلف زمین را با دقت بسیار بالا پایش کنند. ساعت‌های دقیق‌تر همچنین می‌توانند به بررسی برخی از پرسش‌های حل‌نشده در فیزیک بنیادی کمک کنند.
گام بعدی: تبدیل ساعت آزمایشگاهی به یک سامانه قابل حمل
مایکل لی، دانشجوی دکتری تیم دانشگاه ملی سنگاپور و یکی از دو نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «گام بعدی این است که این ساعت در مقیاس آزمایشگاهی را کوچک کنیم و آن را به یک سامانه قابل حمل تبدیل کنیم.»
خارج کردن ساعت از محیط آزمایشگاه، امکان انجام مقایسه‌های جدید را فراهم می‌کند و به پژوهشگران اجازه می‌دهد کاربردهای مختلف این فناوری را در دنیای واقعی بررسی کنند. تیم پژوهشی انتظار دارد بتواند ابعاد این ساعت را کوچک‌تر کند، بدون اینکه دقت فوق‌العاده آن کاهش پیدا کند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature منتشر شده است.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: scitechdaily.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=110048
