دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان؛ تحولی در تعریف ثانیه
در قلب این ساعت یک یون آلومینیوم قرار دارد. به گفته محققان یون آلومینیوم به دلیل داشتن «تیک‌تاک»هایی با فرکانس بسیار بالا و پایدار و همچنین حساسیت کم به تغییرات دما و میدان‌های مغناطیسی، یک زمان‌سنج ایده‌آل است. اما یک مسئله بزرگ وجود داشت: یون آلومینیوم را نمی‌توان با لیزر خنک کرد یا مورد کاوش قرار داد.
محققان آمریکایی دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان را ساختند. این دستگاه که برپایه یک یون آلومینیوم کار می‌کند، می‌تواند زمان را با دقت ۱۹ رقم اعشار اندازه‌گیری کند. این دستاورد که حاصل ۲۰ سال تحقیق است، تعریف جهانی «ثانیه» را نیز تغییر می‌دهد.
به گزارش دیجیاتو؛ به نقل از Phys، دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) از یک رکوردشکنی بزرگ در زمینه زمان‌سنجی خبر دادند. ساعت اتمی نوری جدید آنها ۴۱ درصد دقیق‌تر از رکورددار قبلی (ساعت شبکه استرانسیوم) است. همچنین این دستگاه ۲.۶ برابر پایدارتر از هر ساعت یونی دیگری در جهان کار می‌کند.
ساخت دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان
در قلب این ساعت یک یون آلومینیوم قرار دارد. به گفته محققان یون آلومینیوم به دلیل داشتن «تیک‌تاک»هایی با فرکانس بسیار بالا و پایدار و همچنین حساسیت کم به تغییرات دما و میدان‌های مغناطیسی، یک زمان‌سنج ایده‌آل است. اما یک مسئله بزرگ وجود داشت: یون آلومینیوم را نمی‌توان با لیزر خنک کرد یا مورد کاوش قرار داد.
راه‌حل خلاقانه تیم NIST، استفاده از یک «سیستم رفاقتی» کوانتومی بود. آنها یک یون منیزیم را در کنار یون آلومینیوم قرار دادند. یون منیزیم که به راحتی با لیزر کنترل می‌شود، دو وظیفه مهم را برعهده می‌گیرد؛
- یون آلومینیوم را خنک می‌کند و حرکات ناخواسته آن را به حداقل می‌رساند.
- با حرکت هماهنگ با یون آلومینیوم، وضعیت ساعت را برای دانشمندان قابل خواندن می‌کند.
تله یونی اصلاح‌شده برای ساعت یونی آلومینیومی NIST؛ دایره سبز موقعیت یون آلومینیوم را نشان می‌دهد که در اینجا چندان مشخص نیست و باید از طریق طیف‌سنجی کوانتومی ردیابی شود.
برای رسیدن به این دقت بی‌سابقه، تیم تحقیقاتی مجبور به بازطراحی کامل تمام اجزای سیستم شدند؛ آنها با استفاده از یک ویفر الماس ضخیم‌تر و اصلاح پوشش‌های طلا، تله یونی را بازطراحی کردند تا از حرکات ریز و مزاحم یون‌ها که دقت ساعت را مختل می‌کرد، جلوگیری کنند. همچنین برای جلوگیری از نشت گاز هیدروژن (که با برخورد به یون‌ها، عملکرد ساعت را مختل می‌کرد) محفظه خلاء فولادی قدیمی با یک محفظه جدید از جنس تیتانیوم جایگزین شد. این کار نشت هیدروژن را ۱۵۰ برابر کاهش داد.
بازتعریف مفهوم ثانیه
در‌حال‌حاضر، تعریف رسمی و جهانی یک «ثانیه» براساس تعداد مشخصی از نوسانات (یا تیک‌تاک) اتم سزیم-۱۳۳ است. این استاندارد از سال ۱۹۶۷ برقرار بوده و بسیار دقیق است. بااین‌حال ساعت جدید یون آلومینیوم از نوسانات اتم‌هایی استفاده می‌کند که تیک‌تاک بسیار سریع‌تر و پایدارتری نسبت به سزیم دارند. این نوسانات در محدوده فرکانس نوری (بسیار بالاتر از فرکانس مایکروویو سزیم) هستند. به‌عبارت دیگر، جامعه علمی جهان اکنون می‌توانند تعریف رسمی «یک ثانیه» را از تعداد نوسانات اتم سزیم، به تعداد نوسانات یک اتم جدید و پایدارتر (مانند آلومینیوم) تغییر دهد.
یافته‌های این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.
