Kesalahan 39,6 miliar tahun kurang dari satu detik: Jam atom paling akurat di dunia mencetak rekor baru
2024-08-19
한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina
Berapa lama 1 detik? Bagaimana ketepatan satu detik didefinisikan secara ilmiah? Pada tanggal 22 September 2023, Mozi Salon mendapat kehormatan mengundang Jun Ye, profesor Departemen Fisika di Universitas Colorado dan pemenang "Mozi Quantum Prize", untuk memberikan pidato bertajukPidato tersebut memperkenalkan latar belakang penelitian jam atom dengan cara yang mudah dipahami, dan eksplorasi tim peneliti untuk terus meningkatkan akurasi pengukuran waktu.Sekarang, bisakah batas atas akurasi jam atom ditingkatkan? Prestasi terbaru tim Ye Jun sekali lagi memecahkan rekor akurasi jam atom, mencapai lompatan akurasi pengukuran waktu, dan menetapkan tolok ukur baru untuk jam atom generasi berikutnya. Pada bulan Januari 24, kami berhasil mengembangkan sistem jam optik dengan indikator domestik terbaik () tim jam optik dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok diundang oleh Fisika untuk memperkenalkan hasil ini.
Munculnya jam atom pada tahun 1950-an menandai terobosan besar dalam kemampuan kita mengukur waktu dengan presisi sangat tinggi.Setelah 70 tahun dikembangkan, saat ini alat ini merupakan alat pengatur waktu yang paling akurat. Jika alat ini memulai penghitungan waktunya pada awal Big Bang, kesalahannya sekarang tidak akan melebihi satu detik.Jam atom presisi ini memiliki penerapan luas dalam fisika dasar, metrologi, navigasi, dan bidang lainnya. Perbaikan lebih lanjut dapat mengarah pada serangkaian aplikasi baru dan pengujian baru dalam fisika fundamental.Namun, upaya untuk mencapai perbaikan lebih lanjut menghadapi banyak tantangan, salah satunya adalah kebisingan lingkungan, seperti fluktuasi medan magnet dan perubahan suhu, serta interaksi atom yang kompleks, yang mengatur pengoperasian jam namun sulit dikendalikan. Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti dari American Joint Astrophysics Laboratory (JILA) dan tim peneliti dari University of Colorado Boulder telah memecahkan rekor akurasi jam atom.▲ Gambar 1:Atom strontium ada di dalamnya1S0Dan3P0Transisi antar negara bagian berfungsi sebagai referensi untuk jam kisi optik. Ketika sinyal optik beresonansi dengan suatu transisi, frekuensinya dapat ditentukan dengan sangat tepat.
Tim peneliti menggunakan jam kisi optik (OLC) berdasarkan atom strontium netral untuk mengukur frekuensi transisi atom strontium, dan ketidakpastian sistemnya mencapai 8,1×10-19, lebih dari dua kali lipat rekor sebelumnya (pekerjaan awal tim). Pencapaian ini menandai lompatan dalam akurasi pengukuran waktu dan menetapkan tolok ukur baru untuk jam atom generasi berikutnya.Jam atom paling awal menggunakan frekuensi sinyal gelombang mikro sebagai "pendulum" untuk menjaga waktu. Saat ini, teknik pengukuran waktu terbaik didasarkan pada cahaya yang dipancarkan oleh transisi atom tertentu, yang disebut transisi jam. Frekuensi tinggi (biasanya beberapa ratus terahertz) dan lebar garis yang sempit (biasanya 1-100 milihertz) dari transisi ini berarti bahwa jam atom optik dapat mengukur waktu lebih akurat daripada jam atom berbasis gelombang mikro, yang memiliki jam pada frekuensi lebih rendah. Berkat upaya tak kenal lelah para peneliti selama beberapa dekade terakhir, jam optik kini memiliki kinerja dua kali lipat lebih baik daripada jam gelombang mikro. Meningkatkan kinerjanya lebih lanjut berarti mengurangi ukuran kesalahan sistematis.Untuk mencapai tujuan ini, tim JILA dan University of Colorado Boulder mengevaluasi kembali koefisien parameter atom tertentu yang penting untuk pengoperasian jam atom optik. Secara khusus, para peneliti menyelidiki transisi jam dengan sensitivitas magnetik terendah di antara atom strontium (3P0Dan1S0transisi antar negara bagian) dikalibrasi secara akurat (lihat Gambar 1), dan koefisien Zeeman orde kedua ditentukan.Koefisien Zeeman menggambarkan pengaruh medan magnet pada tingkat energi elektron dan perubahan frekuensi cahaya yang dipancarkan selama transisi terkait. Biasanya, transisi jam yang tidak sensitif secara magnetis dipilih untuk meminimalkan pergeseran frekuensi Zeeman orde pertama yang dominan, yang mengurangi sensitivitas jam terhadap fluktuasi medan magnet sekitar. Namun efek tingkat kedua yang lebih lemah masih ada. Kalibrasi tim terhadap koefisien ini mengurangi ketidakpastian yang disebabkan oleh pergeseran frekuensi Zeeman orde kedua menjadi 1×10-19, dua kali lipat dari kalibrasi sebelumnya.▲ Gambar 2:Pada bulan September 2023, pada Konferensi Internasional 2023 tentang Teknologi Kuantum yang Berkembang di Hefei, Jun Ye, sebagai pemenang "Mozi Quantum Prize", memberikan laporan penghargaan yang luar biasa di tempat.
Para peneliti juga membahas faktor kedua yang mempengaruhi ketidakpastian jam: koreksi dinamis radiasi benda hitam. Radiasi benda hitam dapat mempengaruhi tingkat energi atom melalui medan listriknya, sebuah konsekuensi yang tidak dapat dihindari dari pengoperasian jam di lingkungan bersuhu ruangan. Komponen dinamis dari efek ini mengacu pada pergeseran frekuensi diferensial antara tingkat energi atom. Pada jam kisi optik strontium generasi sebelumnya, akurasinya sangat dibatasi oleh3P0Ketidakpastian perpindahan tingkat energi (yang lebih tinggi dari dua keadaan yang menentukan transisi jam). Besarnya pergeseran frekuensi ini berkaitan dengan transisi dalam spektrum energi radiasi benda hitam3P0dan tingkat energi yang lebih tinggi3D1Transisi antara3D1ditentukan oleh umur negara. Dengan melakukan pengukuran ini, tim meningkatkan ketidakpastian perpindahan radiasi benda hitam dari sebelumnya 1,5×10-18Dikurangi menjadi 7,3×10-19. Menggabungkan pengurangan ketidakpastian pergeseran frekuensi radiasi benda hitam dengan pengendalian lingkungan lainnya seperti menstabilkan suhu, para peneliti menentukan bahwa semua efek sistem berkontribusi kurang dari 1 × 10 terhadap total ketidakpastian tingkat energi transisi jam.-18。Untuk mengontrol dan mengukur atom dalam jam kisi optik, para peneliti juga menggunakan kisi optik dengan "panjang gelombang ajaib". Dalam perangkap kisi optik, tingkat energi atom dapat melayang karena pengaruh medan listrik sinar laser. Namun, dalam sumur potensial yang dimanipulasi pada panjang gelombang ajaib, sumur potensial tersebut tetap sama terlepas dari keadaan elektronik atomnya. Ini berarti bahwa pergeseran frekuensi tingkat energi relatif yang disebabkan oleh sinar laser antara keadaan transisi jam diminimalkan, yang membantu membuat lebar garis transisi menjadi sesempit mungkin. Para peneliti juga memasukkan prosedur pendinginan yang memungkinkan mereka menggunakan kisi dangkal untuk membatasi atom. Ketika atom terkurung lebih rapat, pergeseran frekuensi tingkat energi yang disebabkan oleh sinar laser menjadi lebih besar, sehingga potensial yang dangkal meminimalkan pergeseran frekuensi ini.Metode ini memungkinkan perangkat mereka melampaui keakuratan semua jam kisi cahaya sebelumnya, mengukur waktu dengan kesalahan kurang dari satu detik dalam 39,6 miliar tahun. Implikasi dari perbaikan ini sangat luas. Misalnya, dikombinasikan dengan kemajuan tim Colorado, instrumen generasi baru dapat menetapkan tolok ukur baru untuk definisi satu detik. Upaya di masa depan mungkin berfokus pada peningkatan teknik-teknik ini untuk mengurangi ketidakpastian melalui, misalnya, operasi kriogenik. Teknologi pengukuran dengan presisi sangat tinggi ini dapat digunakan untuk mempelajari isu-isu mendasar di garis depan fisika, seperti kemungkinan mengungkap sifat gravitasi kuantum dan sifat materi gelap melalui pengamatan gelombang gravitasi.
Mozi adalah seorang pemikir dan ilmuwan terkenal di negara saya pada zaman dahulu. Pemikiran dan pencapaiannya merupakan perwujudan dari ilmu pengetahuan yang sedang berkembang di masa awal negara saya. Pendirian Mozi Salon bertujuan untuk mewarisi dan meneruskan tradisi keilmuan, menjunjung dan meneruskan semangat keilmuan, meningkatkan literasi sains warga, dan membangun suasana sosial yang menjunjung tinggi ilmu pengetahuan.
Mozi Salon ditujukan untuk masyarakat umum yang menyukai sains, memiliki semangat eksplorasi dan rasa ingin tahu. Melalui aktivitas publik tatap muka dan diversifikasi platform media baru, kami berharap semua orang dapat memahami kemajuan sains paling mutakhir di dunia, yaitu ide-ide ilmiah tercanggih, dan jelajahi rahasia sains serta rasakan indahnya sains.
Mozi Salon diselenggarakan oleh Institut Penelitian Shanghai Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok dan Pusat Pertukaran Sains dan Teknologi Kuantum Nanqi di Area Baru Pudong. Yayasan Pendidikan Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, Asosiasi Sains dan Teknologi Area Baru Pudong, Asosiasi Sains dan Teknologi Tiongkok dan Didukung oleh Komite Sains dan Teknologi dan Ekonomi Area Baru Pudong.
