Bosan dengan jam tangan Anda yang kehilangan waktu seiring berlalunya waktu? Jam atom baru, yang merupakan jam paling akurat yang pernah ada, menggunakan atom dan laser ytterbium untuk secara tepat mendefinisikan detik. Gambar melalui pengguna Flickr Earls37a
Jika arloji di pergelangan tangan Anda berjalan lambat lima menit selama setahun, Anda mungkin tidak akan memikirkannya. Tetapi para ilmuwan dan insinyur mengandalkan jam atom ultra-akurat untuk berbagai aplikasi, dan pencarian jam yang semakin akurat telah berlangsung selama ribuan tahun.
Sekarang, sekelompok peneliti yang dipimpin oleh Andrew Ludlow dari Institut Nasional Standar dan Teknologi telah menetapkan standar yang lebih tinggi dari sebelumnya. Jam atom terbaru mereka, yang diluncurkan kemarin, diprediksi tidak akurat dengan waktu 1, 6 detik setelah berjalan total 10 18 detik — atau, dengan kata lain, kehilangan satu detik penuh selama sekitar 50, 8 miliar tahun .
Dalam makalah yang menggambarkan jam mereka, para peneliti menyediakan sepasang analogi untuk tingkat akurasi ini: "setara dengan menentukan usia alam semesta yang diketahui dengan ketepatan kurang dari satu detik, " catat mereka, "atau diameter Bumi menjadi kurang dari lebar atom. "
Seperti semua jam, jam atom menjaga waktu yang konsisten dengan mendasarkan durasi detik dari peristiwa fisik yang terjadi dengan keteraturan. Sementara jam mekanis menggunakan ayunan pendulum untuk mempertahankan waktu, jam atom menggunakan mekanisme yang terjadi bahkan lebih teratur: frekuensi spesifik cahaya yang diperlukan untuk menyebabkan atom berfluktuasi di antara dua keadaan energi (khususnya, untuk beralih dari keadaan dasar) dalam keadaan tereksitasi), yang selalu merupakan nilai yang seragam. Sebagai contoh, standar internasional saat ini yang mendefinisikan durasi satu detik adalah 9.192.631.770 siklus dari jumlah radiasi gelombang mikro yang menyebabkan atom-atom cesium berfluktuasi antara dua keadaan energi dan dalam proses memancarkan yang paling ringan mungkin.
Namun, beberapa faktor dapat mendistorsi pengukuran frekuensi ini dengan sangat hati-hati. Apa yang dilakukan oleh para peneliti di balik jam baru ini adalah menciptakan desain inovatif (menggunakan elemen berbeda) yang meminimalkan distorsi ini lebih banyak daripada jam apa pun sebelumnya.
Desain mereka, yang disebut "jam kisi optik, " menjebak atom ytterbium di dalam kotak kisi sinar laser. Diadakan di tempat, atom-atom dibombardir oleh laser jenis kedua, yang memaksa elektron mereka melonjak dalam tingkat energi. Sebuah sensor memeriksa untuk memastikan bahwa semua atom mencapai tingkat energi yang lebih tinggi, dan frekuensi cahaya yang tepat yang diperlukan untuk memaksa mereka melakukannya kemudian dikonversi menjadi panjang tepat satu detik.
Biasanya, setiap gerakan fisik sedikit atom ketika mereka dibombardir dapat menyebabkan perubahan halus dalam frekuensi cahaya yang diperlukan untuk meningkatkan tingkat energi mereka (akibat pergeseran Doppler), membuang keakuratan jam. Tapi, seperti yang dijelaskan dalam MIT Technology Review, di mana berita tentang jam pertama kali diterbitkan, kotak sinar laser "menahan atom dalam cengkeraman seperti wakil yang meminimalkan efek Doppler." Selain itu, kisi-kisi menjebak jumlah yang relatif besar. atom (antara 1.000 dan 1.000.000) dibandingkan dengan sebagian besar jam atom, sehingga rata-rata jumlah radiasi yang diperlukan untuk menaikkan masing-masing ke tingkat energi yang lebih tinggi memberikan nilai yang lebih akurat dari frekuensi tepat radiasi, yang kemudian digunakan untuk mengatur waktu.
Membandingkan dua jam seperti itu bersama-sama, penulis menemukan sesuatu yang luar biasa - setiap "centang" mengukur interval waktu dengan sangat sempurna sehingga satu jam hanya akan tertinggal di belakang waktu yang sebenarnya dengan sepersepuluh detik ketika Matahari kita menyelimuti Bumi saat berevolusi menjadi merah raksasa sekitar 5 miliar tahun dari sekarang.
Jam baru ini - dan penyempurnaan bertahap jam atom secara keseluruhan - mungkin tampak seperti pengejaran akademis murni, tetapi dalam kenyataannya ada satu ton aplikasi teknologi yang sangat berguna. Ambil, misalnya, aplikasi "peta" di ponsel Anda. Tanpa kemampuan untuk menyinkronkan jam dengan jarak yang sangat dekat, sistem GPS tidak akan dapat bekerja, karena ia bergantung pada perbandingan tepat dari waktu yang dibutuhkan sinyal untuk melakukan perjalanan dari beberapa satelit yang berbeda ke perangkat Anda yang mendukung GPS.
Pengejaran di masa depan yang bisa menggunakan kemajuan terbaru dalam teknologi jam atom ini bisa jatuh dalam ilmu geodesi, yang berupaya mengukur secara tepat perubahan kecil dalam bentuk bumi dan medan gravitasinya dari waktu ke waktu. Semua jam berdetak pada tingkat yang jauh lebih lambat di permukaan laut daripada di ketinggian satu mil, karena gaya gravitasi lebih kuat ketika lebih dekat ke Bumi. Saat ini, dengan jam atom paling canggih, perbedaan dalam kecepatan ini hanya dapat diukur ketika ketinggian berubah ribuan kaki, tetapi dengan jam baru, mereka akan dapat dideteksi ketika jam dinaikkan atau diturunkan oleh sentimeter belaka, membuat sistem berpotensi berguna untuk mengukur sedikit perubahan dalam ketebalan es gletser atau ketinggian yang diperoleh oleh pegunungan seiring waktu karena lempeng tektonik bertabrakan.
