Jam atom hadir dalam banyak variasi. Beberapa elektronik berukuran chip, dikembangkan untuk militer tetapi sekarang tersedia secara komersial, sementara jam atom yang lebih besar dan lebih akurat melacak waktu di satelit GPS. Tetapi semua jam atom bekerja dengan prinsip yang sama. Atom murni — beberapa jam menggunakan cesium, yang lain menggunakan unsur-unsur seperti rubidium — memiliki sejumlah elektron valensi, atau elektron di kulit terluar setiap atom. Ketika atom dipukul dengan frekuensi tertentu dari radiasi elektromagnetik (gelombang cahaya atau gelombang mikro, misalnya), transisi elektron valensi antara dua keadaan energi.
Pada 1960-an, para ilmuwan beralih dari mengukur waktu berdasarkan orbit dan rotasi benda langit dan mulai menggunakan jam ini berdasarkan prinsip mekanika kuantum. Ini mungkin tampak seperti cara yang aneh untuk mengukur waktu, tetapi durasi sejumlah osilasi tertentu, atau "kutu, " dalam gelombang radiasi elektromagnetik adalah metode resmi yang digunakan para ilmuwan untuk menentukan yang kedua. Secara khusus, yang kedua adalah durasi 9192.631.770 osilasi laser gelombang mikro yang akan menyebabkan atom cesium untuk transisi.
Tetapi kita memiliki jam atom yang lebih baik daripada jam yang mengukur sesium.
"Jika dua jam ytterbium kami telah dimulai pada awal alam semesta, pada titik waktu ini mereka akan tidak setuju satu sama lain kurang dari satu detik, " kata William McGrew, seorang ahli fisika di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST ), dalam email.
Jam atom kisi ytterbium ultra-stable NIST. Atom-atom Ytterbium dihasilkan dalam oven (silinder logam besar di sebelah kiri) dan dikirim ke ruang hampa udara di tengah foto untuk dimanipulasi dan diselidiki oleh laser. Sinar laser diangkut ke jam oleh lima serat (seperti serat kuning di tengah bawah foto). (James Burrus / NIST) Jam ytterbium di NIST, Yb-1 dan Yb-2, adalah jenis jam atom unik yang dikenal sebagai jam kisi optik. Pada dasarnya, jam menggunakan radiasi elektromagnetik dalam frekuensi optik, atau laser, untuk menjebak ribuan atom ytterbium dan kemudian menyebabkan elektron terluar mereka bertransisi antara keadaan energi tanah dan keadaan energi tereksitasi. Dibandingkan dengan cesium, frekuensi radiasi elektromagnetik yang lebih tinggi diperlukan untuk menyebabkan transisi ytterbium.
Semua gelombang elektromagnetik, dari gelombang radio hingga sinar gamma, dan semua cahaya yang terlihat di antaranya, adalah jenis gelombang yang sama yang terdiri dari foton — perbedaannya hanyalah bahwa gelombang dengan frekuensi yang lebih tinggi berosilasi lebih cepat. Gelombang mikro, yang digunakan untuk transisi cesium, direntangkan menjadi gelombang yang lebih panjang dan frekuensi lebih rendah dari cahaya tampak. Menggunakan atom yang bertransisi pada frekuensi yang lebih tinggi adalah kunci untuk membangun jam yang lebih baik. Sementara yang kedua saat ini sekitar 9 miliar osilasi microwave, durasi waktu yang sama akan diwakili oleh mendekati 500 triliun osilasi gelombang cahaya tampak, meningkatkan kemampuan ilmuwan untuk secara tepat mengukur waktu.
Jika laser pengukuran pada jam ytterbium diputar ke frekuensi yang tepat, atom ytterbium akan melompat ke keadaan energi tereksitasi. Ini terjadi ketika laser berada pada frekuensi tepat 518.295.836.590.863, 6 Hertz — jumlah "kutu" dalam satu detik.
"Ini sesuai dengan panjang gelombang 578 nanometer, yang tampak kuning di mata, " kata McGrew.
Pengukuran baru dengan Yb-1 dan Yb-2, yang dipimpin oleh tim McGrew di NIST, telah mencapai rekor baru dalam tiga bidang utama ketelitian pengukuran, menghasilkan, dalam beberapa hal, pengukuran terbaik dari pengukuran kedua yang pernah dicapai. Secara khusus, jam-jam itu mencatat rekor baru untuk ketidakpastian, stabilitas, dan reproduktifitas sistematis. Pengukuran baru dirinci dalam makalah yang diterbitkan hari ini di Nature .
Jam optik ytterbium bahkan lebih tepat dalam aspek-aspek ini daripada jam air mancur sesium yang digunakan untuk menentukan definisi sedetik. Jam ytterbium secara teknis tidak lebih akurat daripada jam cesium, karena keakuratan secara khusus seberapa dekat pengukuran dengan definisi resmi, dan tidak ada yang lebih akurat daripada jam cesium yang mendasari definisi tersebut. Meski begitu, metrik kunci di sini adalah ketidakpastian sistematis — ukuran seberapa dekat jam menyadari osilasi alami yang sebenarnya dari atom ytterbium (frekuensi tepat yang menyebabkan mereka melakukan transisi).
Pengukuran baru cocok dengan frekuensi alami dalam kesalahan 1, 4 bagian dalam 10 18, atau sekitar sepersejuta dari sepersejuta. Jam cesium hanya mencapai ketidakpastian sistematis sekitar satu bagian dalam 10 16 . Jadi dibandingkan dengan jam cesium, pengukuran ytterbium baru "akan 100 kali lebih baik, " kata Andrew Ludlow, seorang ahli fisika NIST dan penulis bersama makalah ini.
Tantangan dengan jenis pengukuran ini adalah berurusan dengan faktor-faktor eksternal yang dapat mempengaruhi frekuensi alami atom ytterbium — dan karena ini adalah beberapa pengukuran paling sensitif yang pernah dicapai, setiap efek fisik alam semesta adalah sebuah faktor. "Hampir semua hal yang dapat kita pikirkan secara sewenang-wenang sekarang pada akhirnya berdampak pada frekuensi osilasi atom, " kata Ludlow.
Efek eksternal yang menggeser frekuensi alami jam termasuk radiasi benda hitam, gravitasi, medan listrik, dan sedikit tabrakan atom. "Kami menghabiskan banyak waktu untuk mencoba dengan hati-hati dan ... memahami dengan tepat semua efek yang relevan untuk mengacaukan laju detak jam — frekuensi transisi itu - dan masuk dan melakukan pengukuran terhadap mereka pada atom yang sebenarnya untuk mengkarakterisasi mereka dan membantu kami mengetahui seberapa baik kami dapat benar-benar mengendalikan dan mengukur efek ini.
Untuk mengurangi efek dari faktor-faktor fisik alami ini, atom ytterbium, yang terjadi secara alami dalam beberapa mineral, pertama-tama dipanaskan hingga berbentuk gas. Kemudian pendinginan laser digunakan untuk mengurangi suhu atom dari ratusan derajat kelvin menjadi beberapa ribu derajat, dan kemudian didinginkan lebih lanjut hingga suhu sekitar 10 mikrokelvin, atau 10 juta derajat di atas nol absolut. Atom-atom tersebut kemudian dimuat ke dalam ruang vakum dan lingkungan pelindung termal. Laser pengukuran berseri-seri melalui atom dan dipantulkan kembali pada dirinya sendiri, menciptakan "kisi" yang menjebak atom di bagian energi tinggi dari gelombang cahaya berdiri, bukan gelombang yang sedang berjalan, seperti pointer laser khas.
Meningkatkan "stabilitas" dan "reproduksibilitas" dari pengukuran, yang mana jam ytterbium juga membuat rekor baru, membantu untuk memperhitungkan lebih lanjut setiap kekuatan luar yang mempengaruhi jam. Stabilitas jam pada dasarnya adalah ukuran berapa banyak perubahan frekuensi dari waktu ke waktu, yang telah diukur untuk Yb-1 dan Yb-2 pada 3, 2 bagian dalam 10 19 selama satu hari. Reproducibilitas adalah ukuran seberapa dekat kedua jam tersebut cocok satu sama lain, dan melalui 10 perbandingan, perbedaan frekuensi antara Yb-1 dan Yb-2 telah ditentukan kurang dari sepersejuta miliar per satu miliar.
"Sangat penting untuk memiliki dua jam, " kata McGrew. “Ketidakpastian ditandai dengan memeriksa setiap shift yang dapat mengubah frekuensi transisi. Namun, selalu ada kemungkinan pergeseran 'yang tidak diketahui, ' yang belum dipahami. Dengan memiliki dua sistem, Anda dapat memeriksa karakterisasi ketidakpastian Anda dengan melihat apakah kedua sistem independen tersebut saling bersesuaian. ”
Ketepatan dalam mengukur waktu sudah digunakan oleh para ilmuwan, tetapi aplikasi praktis dari peningkatan pengukuran yang kedua termasuk kemajuan dalam navigasi dan komunikasi. Meskipun tidak ada yang bisa mengetahuinya pada saat itu, pekerjaan awal dengan jam atom pada pertengahan abad ke-20 pada akhirnya akan memungkinkan Sistem Pemosisian Global dan setiap industri dan teknologi yang bergantung padanya.
"Saya tidak berpikir saya dapat memprediksi sepenuhnya aplikasi apa dalam 20 atau 50 tahun yang akan mendapat manfaat paling banyak dari ini, tetapi saya dapat mengatakan bahwa ketika saya melihat kembali ke dalam sejarah, beberapa dampak yang paling mendalam dari jam atom saat ini tidak diantisipasi, “Kata Ludlow.
Laser kuning dari salah satu jam kisi optik ytterbium NIST. (Nate Phillips / NIST) Jam ytterbium juga dapat digunakan dalam penelitian fisika lanjutan, seperti pemodelan medan gravitasi dan kemungkinan deteksi materi gelap atau gelombang gravitasi. Pada dasarnya, jam sangat sensitif sehingga gangguan apa pun karena perubahan gravitasi atau kekuatan fisik lainnya dapat dideteksi. Jika Anda menempatkan beberapa jam ytterbium di seluruh dunia, Anda bisa mengukur perubahan gravitasi menit (yang lebih kuat lebih dekat ke permukaan laut serta lebih dekat ke kutub), yang memungkinkan para ilmuwan untuk mengukur bentuk medan gravitasi bumi dengan lebih presisi dari sebelumnya sebelum. Demikian pula, interaksi dengan partikel materi gelap, atau bahkan gelombang gravitasi yang mempengaruhi dua jam yang tersebar jauh, dapat dideteksi.
"Secara ilmiah, kita menggunakan ketelitian luar biasa ini saat ini untuk beberapa penelitian fisika fundamental ini — mencari materi gelap, mencari variasi konstanta fundamental, mencari pelanggaran dalam beberapa teori Einstein dan hal-hal lain. ... Jika kita pernah menemukan pelanggaran [hukum fisika] dengan menggunakan alat pengukuran yang luar biasa ini, itu bisa menjadi pengubah permainan yang sangat besar dalam pemahaman kita tentang alam semesta, dan oleh karena itu bagaimana sains dan teknologi akan berkembang dari sana ke luar. "
Dalam 10 tahun ke depan, ada kemungkinan bahwa lembaga sains pengukuran dunia akan memutuskan untuk mendefinisikan kembali yang kedua berdasarkan pada jam optik daripada jam cesium. Redefinisi seperti itu kemungkinan besar tidak terhindarkan, karena laser optik beroperasi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada gelombang mikro, meningkatkan jumlah "kutu" jam yang terkandung dalam satu detik. Pengukuran jam ytterbium akan menjadi kandidat yang baik untuk definisi baru, tetapi jam kisi optik menggunakan merkuri dan strontium juga menghasilkan hasil yang menjanjikan, dan jam optik ion, yang menangguhkan dan mentransisikan atom tunggal, menghadirkan kemungkinan menarik lainnya untuk definisi baru.
Pengukuran fenomena atom ini semakin dan semakin tepat, dan di mana pemahaman kita tentang waktu yang terus berkembang akan membawa kita, mustahil untuk diketahui.
