دانشمندان دقیق ترین ساعت اتمی جهان را ساختند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک ثانیه وقت بگذارید و آن را به تریلیون ها لحظه تبدیل کنید. هر کدام را اندازه بگیرید. بر اساس نتایج منتشر شده در Nature در 23 سپتامبر، ساعت اتمی در مرکز فناوری‌های کوانتومی سنگاپور (CQT) دقیقا به این ترتیب است که زمان را و با دقت ثبت رکورد نگه می‌دارد.

موری بارت، سرپرست تیم، محقق اصلی CQT و دانشیار دپارتمان فیزیک در دانشگاه ملی سنگاپور، می‌گوید: «من مطمئن هستم که آنچه اکنون داریم دقیق‌ترین ساعت در جهان است.

محققان ادعای خود را بر اساس اندازه‌گیری‌هایی که نشان می‌دهد ساعت اتمی آن‌ها که از عنصر لوتسیم ساخته شده است، بهتر از رکوردداران قبلی ساخته شده از عناصر مختلف استوار است.

ساعت‌های دقیق‌تر برای کاوش ناشناخته‌ها در فیزیک بنیادی و نظارت بر تغییرات گرانشی در سراسر زمین نوید می‌دهند - و آنها در حال رقابت برای بازتعریف دوم هستند.

ساعت‌های اتمی زمان را با اشاره به یک انتقال اتمی، زمانی که یکی از الکترون‌های اتم سطوح انرژی را تغییر می‌دهد، حفظ می‌کنند. فرکانس این انتقال یک ویژگی ثابت اتم است. یک لیزر با این "انتقال ساعت" مطابقت دارد و نوسانات نور مانند یک آونگ برای شمارش زمان عمل می کنند.

روش اساسی برای دهه ها وجود داشته است. اتم‌های سزیم استاندارد جهانی زمان را از دهه 1960 تعیین کرده‌اند و ساعت‌های اتمی سزیم در حال حاضر از سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) پشتیبانی می‌کنند و شبکه‌های ارتباطی و حمل‌ونقل را همگام‌سازی می‌کنند.

اما دانشمندان محدودیت‌های زمان‌سنجی را با عناصر دیگر افزایش داده‌اند.

عناصری مانند ایتربیوم، استرانسیم و آلومینیوم دارای رکوردهای اخیر بسیار سریعتر از سزیم نوسان می کنند و به آنها کمک می کند زمان را با دقت بیشتری حفظ کنند. نهاد بین‌المللی مسئول استانداردهای زمان، داده‌های چنین ساعت‌های اتمی نوری جدیدی را برای تعریف مجدد از دومین ساعت مورد انتظار در سال ۲۰۳۰ یا پس از آن در نظر می‌گیرد.

تیم CQT بیش از یک دهه پیش کار با لوتتیوم را شروع کرد و بر این باور بود که این ماده دارای ویژگی‌های مناسب برای پیوستن به مجموعه ساعت‌های با عملکرد برتر است. تا آنجا که می‌داند، این تنها گروهی است که تاکنون با این عنصر برای زمان‌سنجی کار می‌کند.

اکنون، این تیم فرکانس ساعت لوتتیوم خود را تا 19 رقم اعشار اندازه‌گیری کرده است و عدم قطعیت 10-19 x 1 را گزارش کرده است که کمترین میزان گزارش شده برای هر ساعت اتمی نوری تا به امروز است. محققان همچنین دو ساعت ساختند و تیک تاک آنها را مقایسه کردند. ساعت ها با عدم قطعیت 5.7 x 10 -19 موافقت کردند، که آن را دقیق ترین مقایسه ساعتی می کند که تا کنون انجام شده است. اندازه گیری های بیشتر می تواند این عدم قطعیت را بیشتر کاهش دهد.

عملکرد قوی لوتسیم از خواص اتم ناشی می شود: تغییر ساعت آن به سختی تحت تأثیر تغییرات دما یا میدان مغناطیسی قرار می گیرد. در عناصر دیگر، این عوامل محیطی می توانند فرکانس انتقال ساعت را کمی تغییر دهند.

بارت می‌گوید: «در آینده، من نمی‌دانم چگونه می‌توان این ساعت را شکست داد. تیم او بیش از یک دهه را صرف مهندسی دقیق روی تنظیم ساعت اتمی و آزمایش خواص مختلف اتم کرده است. این کار شامل ابداع طرحی به نام «میانگین سازی فوق ظریف» برای تعریف انتقال ساعت بود.

بارت می‌گوید: «ویژگی‌های خوب به این معناست که می‌توان به دقت بالا حتی در طیف وسیعی از محیط‌ها دست یافت. حتی اگر از داغترین مکان ثبت شده روی زمین در دره مرگ به سردترین مکان در فلات قطب جنوب بروید، ساعت لوتتیوم پایدار خواهد بود.

اعتماد به نفس این تیم با مقایسه ساعتی آن تقویت می شود، که با استفاده از تکنیکی به نام طیف سنجی همبستگی بیش از 200 ساعت اندازه گیری انجام شد.

هر ساعت لوتتیوم متشکل از یک یون 176 Lu+ شارژ شده با یک انتقال ساعت است که با لیزری با طول موج 848 نانومتر مطابقت دارد.

دکتر کایل آرنولد، دانشمند تحقیقاتی ارشد از CQT در NUS و نویسنده اول مشترک در این مقاله، می‌گوید: «یک ضرب المثل طنز وجود دارد که می‌گوید «مردی که ساعت دارد می‌داند ساعت چند است. مردی که دو ساعت دارد هرگز مطمئن نیست». اساسا به شما می گوید که تنها راه برای آزمایش دقت یک استاندارد، مقایسه ساعت ها و نشان دادن تکرارپذیری است.

در حالت ایده‌آل، تیم همچنین ساعت لوتتیوم خود را با بهترین ساعت‌های اتمی دیگر جهان مقایسه می‌کند، اما یک چالش وجود دارد. ساعت‌های اتمی نوری در سطح 10-19 آنقدر دقیق هستند که می‌توانند کند شدن زمان ناشی از گرانش را نسبت به اختلاف ارتفاع میلی‌متری تشخیص دهند.

اندازه‌گیری مقایسه تیم CQT می‌تواند اختلاف ارتفاع 5 میلی‌متری بین ساعت‌های آن روی یک میز را حل کند. برای اطمینان از اینکه این اندازه گیری را محدود نمی کند، محققان به طور مستقل اختلاف ارتفاع یون های Lu+ را در یک میلی متر اندازه گرفتند. تفاوت گرانش بین مکان های روی زمین هنوز به اندازه کافی برای مقایسه ساعت ها در این سطح شناخته نشده است.

برای فعال کردن مقایسه‌های جدید و کشف برنامه‌های کاربردی آینده، ساعت باید از آزمایشگاه خارج شود. مایکل لی، اولین نویسنده مشترک مقاله و دکترا می گوید: «گام بعدی این است که ساعت در مقیاس آزمایشگاهی را برداریم و آن را به یک سیستم قابل حمل کوچک تبدیل کنیم. دانشجوی تیم NUS محققان انتظار دارند که بتوانند ساعت خود را بدون به خطر انداختن دقت آن کوچکتر کنند.

کایل جوزف آرنولد، مراجع فرکانس نوری Lu+ با دقت تایید شده در رقم نوزدهم، طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11072-8. www.nature.com/articles/s41586-026-11072-8

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →