Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Kuantum Teknolojileri Merkezinde (CQT) lutesyum elementinden geliştirilen atom saati, zaman tutma doğruluğunda yeni bir ölçüt ortaya koydu.
Nature dergisinde yayımlanan araştırma sonuçlarına göre saat, geçiş frekansını 19 ondalık basamağa kadar ölçebiliyor ve 1 × 10⁻¹⁹ belirsizlik sağlıyor.
Bu oran, bugüne kadar herhangi bir optik atom saati için bildirilen en düşük değer olarak kayıtlara geçti.
CQT Baş Araştırmacısı ve NUS Fizik Bölümü Doçenti Murray Barrett, geliştirdikleri saatin şu anda dünyanın en hassas saati olduğundan emin olduğunu belirtti.
Lutesyum sıcaklık ve manyetik alan değişimlerinden çok az etkileniyor
Atom saatleri, bir atomdaki elektronun sabit bir frekansta enerji seviyelerini değiştirdiği atomik geçişe kilitlenerek zamanı ölçüyor. Bir lazer, söz konusu saat geçişiyle eşleşecek şekilde ayarlanıyor ve ışığın salınımları zamanı işaretliyor.
CQT tarafından geliştirilen saatte referans olarak, geçişi 848 nanometre dalga boyundaki lazerle eşleşen lutesyum-176'nın elektrik yüklü tek bir atomu veya iyonu kullanılıyor.
Sıcaklık değişimleri ve manyetik alanlar, atom saatlerinin zamanı ölçmek için kullandığı geçiş frekansını değiştirebiliyor. Bu nedenle araştırmacılar, saatin doğruluğunu değerlendirirken söz konusu etkileri hesaba katıyor.
Lutesyumun saat geçişinin sıcaklık ve manyetik alanlardan neredeyse hiç etkilenmemesi ise daha geniş koşullarda sabit kalan bir referans sağlıyor.
Barrett, bu özelliklerin farklı ortamlarda da yüksek doğruluk elde edilmesine imkan verdiğini belirtti. Lutesyum saatinin, Dünya üzerinde kaydedilen en sıcak yer olan Ölüm Vadisi'nden Antarktika platosundaki en soğuk bölgeye götürülse bile sabit kalabileceğini ifade etti.
Ekip, lutesyumun zaman tutma açısından en iyi elementler arasında yer alabileceği düşüncesiyle bu elementi 10 yıldan uzun süredir araştırıyor.
Bu potansiyeli çalışan bir saate dönüştürmek için yıllarca hassas mühendislik çalışması ve atomun özelliklerinin ölçülmesi gerekti.
Araştırmacılar ayrıca saat geçişini tanımlamak için "aşırı ince ortalama" adı verilen bir yöntem geliştirdi. Ekip, bilindiği kadarıyla zaman tutma amacıyla lutesyum kullanan tek grup olma özelliğini sürdürüyor.
İki saat 200 saat boyunca karşılaştırıldı
Araştırmacılar, iki lutesyum saati üreterek bunların işleyişini korelasyon spektroskopisi adı verilen teknikle 200 saat boyunca karşılaştırdı.
İki saat, 5,7 × 10⁻¹⁹ belirsizlik içinde uyum sağladı. Bu sonuç, şimdiye kadar bildirilen en hassas saat karşılaştırması oldu. Daha fazla ölçüm yapılmasının söz konusu belirsizliği daha da azaltabileceği belirtildi.
NUS Kuantum Teknolojileri Merkezinde kıdemli araştırmacı ve makalenin ortak başyazarı Kyle Arnold, bir standardın doğruluğunu test etmenin temel yolunun saatleri karşılaştırmak ve sonuçların tekrarlanabilirliğini göstermek olduğunu ifade etti.
Milimetrelik yükseklik farkları bile ölçülebiliyor
Yerçekimi, zamanın geçişini yavaşlatarak farklı yüksekliklerde bulunan saatlerin biraz farklı hızlarda çalışmasına neden oluyor.
10⁻¹⁹ seviyesinde çalışan optik atom saatleri, bu etkiyi yalnızca milimetrelik yükseklik farklarında dahi algılayabiliyor.
CQT tarafından yapılan karşılaştırma, aynı masa üzerinde bulunan saatler arasındaki 5 milimetrelik farkı çözebiliyor. Bu farkın karşılaştırmayı sınırlamasını önlemek amacıyla araştırmacılar, iki lutesyum iyonunun birbirlerine göre yüksekliklerini bağımsız olarak bir milimetrenin altında ölçtü.
Ancak yerçekimine yönelik bu hassasiyet, lutesyum saatinin dünyanın önde gelen diğer atom saatleriyle karşılaştırılmasını da zorlaştırıyor.
Dünya üzerindeki farklı konumlar arasındaki yerçekimi farkları, söz konusu etkileri saatlerin bu doğruluk seviyesindeki performans farklılıklarından ayırabilecek kadar iyi bilinmiyor.
Barrett, gelecekte bu saatin nasıl geçilebileceğini göremediğini dile getirdi.
Saniyenin yeniden tanımlanmasına katkı sağlayabilir
Sezyum atomları, 1960'lı yıllardan bu yana saniyenin tanımlanmasında referans olarak kullanılıyor. Sezyum atom saatleri aynı zamanda küresel konumlama sistemini destekliyor ve iletişim ile ulaşım ağlarının senkronizasyonunda kullanılıyor.
Optik saatler ise çok daha yüksek geçiş frekanslarından yararlanıyor. Bu sayede aynı zaman aralığında daha fazla salınımın sayılması mümkün oluyor ve zaman daha doğru ölçülebiliyor.
Daha önceki rekor sahipleri iterbiyum, stronsiyum ve alüminyum kullanmıştı. CQT ekibi, lutesyum saatinin bu elementlerle geliştirilen saatlerin performansını geride bıraktığını bildirdi.
Saat teknolojilerindeki gelişmeler sürerken, zaman standartlarından sorumlu uluslararası kuruluş, 2030'da veya sonrasında gerçekleştirilmesi beklenen saniyenin yeniden tanımlanması için ölçümleri değerlendiriyor.
Yerçekimi değişikliklerinin izlenmesinde kullanılabilecek
Atom saatlerinin yerçekimine karşı hassasiyeti, bu teknolojinin laboratuvarların dışında da kullanılmasına imkan sağlayabilir.
Bu özellik, araştırmacıların Dünya genelindeki yerçekimi değişikliklerini izlemesine yardımcı olabilir. Daha hassas saatlerin, temel fizikte henüz çözülememiş soruların araştırılmasına da katkı sağlayabileceği belirtiliyor.
NUS ekibinde doktora öğrencisi ve makalenin ortak başyazarı Michael Lee, bir sonraki aşamanın laboratuvar ölçeğindeki saati taşınabilir bir sistem haline getirmek için küçültmek olduğunu söyledi.
Saati laboratuvar dışına taşımanın yeni karşılaştırmalara imkan sağlayacağı ve araştırmacıların farklı uygulamaları incelemesine olanak tanıyacağı ifade edildi.
Ekip, saatin doğruluğundan ödün vermeden daha küçük hale getirilebileceğini öngörüyor.
