JAM YANG DISETEL KE INTI ATOM BERDETAK SELAMA 30 JAM

Jam-jam paling presisi di dunia menghitung osilasi elektron di dalam atom, yang diselidiki dengan laser. Jam-jam itu berfungsi sebagai acuan frekuensi untuk metrologi dan untuk menguji fisika fundamental. Torium-229 menawarkan jenis bandul yang berbeda: intinya memiliki keadaan tereksitasi, yang disebut isomer, hanya sekitar 8,4 elektronvolt di atas keadaan dasarnya — cukup rendah untuk dijangkau laser. Cahaya yang diperlukan berada di ultraungu vakum, pada 148,4 nanometer.

Menurut para penulis, jam yang dibangun di atas transisi nuklir ini akan sangat peka terhadap kemungkinan variasi interaksi-interaksi fundamental, dan dapat membantu pencarian materi gelap. Menanamkan torium di dalam kristal kalsium fluorida yang transparan menghasilkan inti penyerap dalam jumlah luar biasa besar di dalam sepotong benda padat yang kecil: jalan menuju jam nuklir keadaan padat.

Bukan yang pertama, tetapi yang paling lama berjalan di sini

Makalah ini berhati-hati soal apa yang sudah pernah dilakukan. Daftar rujukannya mencakup fluoresensi nuklir, eksitasi laser langsung, spektroskopi sisir frekuensi, laser ultraungu kontinu, spektroskopi serapan, dan bahkan lingkar umpan balik nuklir yang dilaporkan tim-tim lain. Sumbangan karya ini adalah jam yang berjalan lama pada satu kristal tertentu, dan kaitan yang cermat antara spektrum terukurnya dengan frekuensi yang benar-benar dihasilkan jam.

Serapan adalah kuncinya. Alih-alih menunggu inti yang tereksitasi meluruh — proses yang lambat — tim mengukur seberapa banyak cahaya yang ditelan kristal. Itu memberi sinyal cepat yang menunjukkan apakah laser tepat berada di garis atau di sampingnya.

Tiga kali penggandaan untuk mencapai inti

Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen, dan rekan-rekan di Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, bersama mitra di Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok dan TU Wien di Wina, memulai dari laser inframerah pada 1.187 nanometer, yang distabilkan pada rongga optik ultrastabil. Tiga kali penggandaan frekuensi berturut-turut mengubahnya menjadi 594, lalu 297, lalu 148,4 nanometer. Sekitar 750 pikowatt cahaya ultraungu kemudian menembus sepotong kristal berdoping torium setebal 1,8 milimeter, yang dipotong dari kristal bernama X2. Potongan-potongan X2 lainnya telah diukur di Wina dan di JILA.

Di dalam kristal, medan listrik lokal memecah garis nuklir menjadi beberapa komponen. Pada satu jenis situs torium, tim memisahkan empat di antaranya, ditambah satu resonansi yang lebih lebar dari jenis situs kedua. Garis yang paling kuat dan paling sempit, disebut b, hanya selebar 83 kilohertz — pada frekuensi sekitar dua juta miliar hertz.

Tiga puluh jam pada satu garis

Untuk menjalankan jam, sistem menyelidiki kedua sisi lereng garis b dan menggeser sedikit frekuensi laser sekitar setiap 10 detik. Sebuah sisir frekuensi, yang diacu ke maser hidrogen yang dikalibrasi terhadap jam atom stronsium, mengukur keluarannya.

• Lingkar umpan balik bertahan selama 30 jam — 1.061.000 siklus pengukuran, dan hanya 29 di antaranya yang ditolak.
• Tim menghentikan pengukuran ketika jam masih terkunci: laju foton telah turun dari 5,79 menjadi 2,41 juta per detik, yang oleh para penulis dikaitkan dengan pelepasan gas yang menurunkan transmisi ultraungu.
• Frekuensi terukur garis b: 2.020.407.298.796,17 kilohertz, dengan ketidakpastian 0,13 kilohertz.
• Kestabilannya membaik seiring lamanya waktu rata-rata dan mencapai 1,24 × 10⁻¹³ setelah 10.000 detik.
• Pengukuran kedua selama 6,6 jam pada komponen lain, garis c, juga berhasil.

Posisi garis yang dibaca dari spektrum serapan dan frekuensi yang dihasilkan jam sesuai dalam batas ketidakpastiannya. Ketika tim menyalakan ulang jam tiga kali lagi, setelah membuka ruang vakum dan menyelaraskan ulang optiknya, frekuensi rata-ratanya tersebar dalam rentang 1,6 kilohertz.

Kristal yang sama, tiga laboratorium

Membandingkan potongan mereka dengan potongan dari kristal yang sama yang diukur di Wina dan di JILA, setelah dikoreksi untuk suhu, tim mendapatkan kembali pola garis yang sama. Beberapa selisih masih tersisa: garis b berada 11,6 kilohertz di atas nilai Wina dan 6,6 di atas nilai JILA; garis c sekitar 30 kilohertz di atas keduanya. Para penulis belum dapat memastikan apakah selisih ini berasal dari sisa kesalahan suhu, bias dalam penguncian, atau perbedaan nyata antarsampel.

Masih jauh dari garis akhir

Angka-angka ini perlu diberi konteks, dan makalah ini menyediakannya. Perbandingan antara maser hidrogen dan jam stronsium yang dipakai sebagai acuan itu sendiri lebih dari sepuluh kali lebih stabil daripada jam torium pada waktu rata-rata yang sama. Anggaran ketidakpastiannya secara eksplisit belum lengkap, dan suhu tidak dicatat selama 14,7 jam pertama pengukuran panjang. Nilai karya ini terletak pada ketahanan dan pemeriksaan silang: sebuah transisi nuklir, dipertahankan lebih dari sehari, dibandingkan dengan potongan-potongan kristal yang sama di tiga laboratorium.