Mengapa para ilmuwan membangun jam nuklir? Karena Jam Atom Tidak Sempurna

Tugas membangun jam yang secara akurat menjaga waktu sama sekali tidak seperti jam. Jam normal membantu melayani kita dengan cukup baik untuk kebutuhan praktis sehari-hari, tetapi penelitian ilmiah dan teknologi berdasarkan pengukuran sensitif membutuhkan jam yang mampu mengukur perjalanan waktu dengan ketelitian tertinggi. Jadi, para ilmuwan menemukan jam atom - dan meskipun mereka lebih akurat dalam menjaga waktu daripada sistem konvensional, masih ada ruang yang signifikan untuk perbaikan. Sekarang, para ilmuwan bergerak dari dunia atom ke dunia nuklir. Sebuah studi baru diterbitkan di Alam menunjukkan bahwa fisikawan Jerman telah mengembangkan arloji yang mampu kehilangan kurang dari sepersepuluh detik setiap 20 miliar tahun. Itu - tergantung pada bagaimana Anda melihatnya - 10 kali lebih baik dari teknologi atom saat ini

Tetapi sebelum kita menganggap jam atom sudah usang, mari kita pertimbangkan apa yang membuatnya berbeda dari leluhur pendulum yang memamerkan.

Setiap jam menggunakan resonator untuk melacak waktu. Sebuah resonator adalah suatu mekanisme yang, demi penyederhanaan, “berdetak” secara teratur. Jam tua menggunakan pendulum dan roda gigi sebagai resonator. Jam digital menggunakan osilasi pada saluran listrik atau kristal kuarsa sebagai resonator. Jam atom mengambil ide ini beberapa langkah ke depan dengan menggunakan frekuensi resonansi atom itu sendiri sebagai resonator. Dalam sistem ini, resonator diatur oleh radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh transisi kuantum suatu atom. Dengan kata lain, jam atom melacak waktu dengan mengukur perubahan energetik dalam partikel atom.

Untuk beberapa elemen dan isotopnya, ini terjadi pada frekuensi yang konsisten. Cesium-133, misalnya, berosilasi tepat pada 9.192.631.770 siklus per detik. Itu sebabnya digunakan untuk membangun jam atom pertama di National Physical Laboratory di Inggris, pada tahun 1955.

Sejak itu, sejumlah kemajuan teknologi telah menghasilkan jam atom yang lebih akurat - termasuk pendinginan laser dan penjebak atom, spektroskopi laser yang lebih presisi, dan mencari tahu elemen isotop lainnya yang menunjukkan frekuensi resonansi yang lebih konsisten. Pemegang rekor saat ini untuk bacaan jam atom paling akurat berdasarkan ion ytterbium.

Alasan mengapa jam atom sangat penting berkaitan dengan fakta bahwa jam mengukur waktu secara berbeda pada ketinggian yang berbeda. Semakin jauh jam berasal dari sumber utama gravitasi, semakin cepat waktu berlalu (mis. Jam akan berjalan lebih cepat di Gunung Everest daripada di permukaan laut). Perbedaannya tampaknya dapat diabaikan, tetapi dapat bertambah seiring bertambahnya waktu.

Banyak teknologi kami saat ini yang beroperasi sebagai aplikasi global, seperti GPS. Untuk memastikan mereka berjalan pada waktu yang sama di mana pun seseorang berada, mereka harus diikat langsung ke jam yang akurat. Tidak ada cara yang lebih baik untuk memastikan selain menggunakan jam atom sebagai standar. Dalam studi terbaru, tim peneliti Jerman menguraikan gagasan untuk secara langsung mengukur osilasi inti atom elemen itu sendiri (sebagai lawan dari elektron yang mengelilingi inti). Jam atom berdasarkan desain ini dapat menghindari pengaruh dari kekuatan eksternal. Tim peneliti mengidentifikasi keadaan eksitasi di isotop thorium, Th-229m, yang dapat bekerja - dan mengilustrasikan temuan eksperimental yang mendukung gagasan ini.

Hanya ada satu masalah: Th-229m tidak terjadi secara alami. Meskipun hasil studi baru ini mengesankan, namun tidak jelas bagaimana para peneliti dapat memanen Th-229m yang cukup untuk membangun dan memelihara jam nuklir. Para peneliti menurunkan Th-229m dalam hal ini dengan menggunakan uranium-233 sebagai sumber. Ini bukan proses yang mudah.

Jika para ilmuwan mencari tahu bagaimana menyelesaikan masalah kecil itu dan menghasilkan jumlah Th-229m yang berkelanjutan, kita sedang melihat generasi baru jam atom yang tidak diragukan lagi akan memainkan peran utama saat kita membangun semakin banyak teknologi yang mencakup dunia dan melayani orang di setiap sudut dunia.