فناوری ساعت‌های اتمی از دهه‌ها پیش به عنوان مبنای تعریف ثانیه و اساس بسیاری از سیستم‌های ناوبری و ارتباطات دقیق قرار گرفته است. در حال حاضر، محققان مرکز فناوری‌های کوانتومی سنگاپور یک مرحله مهم در این حوزه طی کرده‌اند. با استفاده از عنصر نادر لوتتیوم، آن‌ها نسخه‌ای نوین از ساعت‌های اتمی را به دنیا معرفی کرده‌اند که می‌تواند نویدبخش عصر جدیدی در دقت زمان سنجی باشد. این پیشرفت می‌تواند به تغییر تعریف ما از واحد زمان کمک شایانی کند.

پیشرفت چشمگیر در دقت ساعت‌های اتمی

مورای بارت، فیزیکدان دانشگاه ملی سنگاپور با اعتماد به نفس می‌گوید: «به طور قطع معتقدم که آنچه اکنون داریم، به عنوان دقیق‌ترین ساعت در جهان شناخته می‌شود.» این ساعت‌های اپتیکی اتمی زمان را با کمک الکترون‌ها به عنوان آونگ اندازه گیری می‌کنند. الکترون‌ها پس از دریافت مقدار مشخصی انرژی، میان حالت‌های کوانتومی با فرکانس‌هایی متمایز و قابل اعتماد نوسان می‌کنند. در حالی که سزیم به مدت ده‌ها سال عنصر اصلی در ساخت این گونه ساعت‌ها بوده است، لوتتیوم ویژگی‌های متمایزی دارد.

ساعت اتمی لوتتیوم با جرم اتمی ۷۱ به عنوان عنصری سنگین به شمار می‌آید که می‌تواند احتمال نوسان آن را به حداقل برساند. این عنصر همچنین به ندرت به تابش حرارتی یا تغییرات میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهد که به طور قابل توجهی خطاهای ناشی از محیط را کاهش می‌دهد. به علاوه، لوتتیوم با نرخی حدود ۱۰ هزار برابر سریع‌تر از سزیم عمل می‌کند و این امر آن را به ماده‌ای بسیار دقیق و قابل اعتماد برای اندازه‌گیری زمان در ظریف‌ترین مقیاس‌ها تبدیل می‌سازد. بارت در این خصوص توضیح می‌دهد:

این ویژگی‌های فوق‌العاده به این معناست که ما می‌توانیم در گستره‌ای از شرایط محیطی به دقت بسیار بالا دست یابیم.

دستیابی به رکوردهای جدید در دقت

تیم تحقیقاتی بارت به مدت بیش از یک دهه بر روی خصوصیات زمان‌سنجی لوتتیوم کار کرده و در نهایت به نتایج دلخواه خود دست یافته‌اند. آن‌ها با مقایسه دو ساعت اتمی لوتتیوم تحت شرایط سختگیرانه، سطح عدم قطعیت را به طور قابل توجهی کاهش دادند و ساعت‌های آنان را در زمره بهترین‌ها قرار دادند.

قبل از این، محققان آکادمی علوم چین با استفاده از یون‌های کلسیم موفق به دستیابی به عدم قطعیتی معادل ۴٫۴ × ۱۰^-۱۹ شده بودند. اما مقایسه‌های انجام شده میان دو ساعت لوتتیوم تنها عدم قطعیتی برابر ۱٫۲ × ۱۰^-۱۹ را نشان می‌دهد که با اعمال اندازه‌گیری‌های بیشتر قابلیت بهبود دارد. این سطح از دقت به طرز باورنکردنی حساس است؛ به گونه‌ای که حتی تفاوت‌های جزئی در فاصله از مرکز زمین می‌تواند منجر به اختلافاتی میان دو ساعت شود. با این وجود، همین حساسیت فوق العاده است که ارزش این ساعت‌ها را به وجود می‌آورد. با این دقت می‌توانیم آزمایش‌هایی طراحی کنیم که روزی تنش‌های میان مفهوم پیوستگی گرانش در نظریه نسبیت و طبیعت گسیخته واقعیت در مکانیک کوانتومی را روشن کند.

بارت پیش‌بینی می‌کند: “در آینده، نمی‌دانم چه چیزی می‌تواند برتری این ساعت را به چالش بکشد.” این پژوهش در نشریه Nature منتشر شده است.