CAHAYA YANG MENJAGA JAM NUKLIR TETAP BERDETAK
Jam optik menyediakan acuan frekuensi yang presisi untuk ilmu pengukuran dan untuk menguji fisika fundamental. Inti torium-229 menawarkan sesuatu yang lebih aneh: intinya memiliki keadaan tereksitasi berenergi rendah, sekitar 8,4 elektronvolt di atas keadaan dasar, yang dapat dicapai dengan laser. Jam berbasis inti akan sangat peka terhadap kemungkinan variasi konstanta-konstanta fundamental alam. Dan dengan torium yang ditanam di dalam kristal bening, jam ini bisa menjadi jam nuklir zat padat.
Kendalanya adalah warnanya. Transisi itu membutuhkan cahaya 148,4 nanometer, di ultraungu vakum. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa cahaya semacam itu dapat mengeksitasi inti dan menjalankan jam nuklir. Namun, untuk membaca serapan yang lemah, sumbernya harus memberikan aliran foton yang stabil selama berjam-jam, dan pergeseran intensitasnya harus disaring.
Konflik kepentingan. Sebagian penulis adalah karyawan atau pemilik Shanghai Precilasers Technology, sebuah perusahaan laser. Para penulis menyatakan tidak ada konflik lain.
Membagi dua panjang gelombang tiga kali
Tim ini, dari University of Science and Technology of China, Laboratorium Nasional Hefei, institut-institut Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, dan perusahaan tersebut, memulai dari laser inframerah kontinu pada 1.187 nanometer. Tiga tahap penggandaan frekuensi berturut-turut membagi dua panjang gelombangnya: 594, lalu 297, lalu 148,4 nanometer.
Tahap terakhir berlangsung di dalam kristal stronsium tetraborat, bahan yang bening di ultraungu vakum dan dapat mengubah cahaya menjadi dua kali frekuensinya. Kristal ditempatkan di kotak tertutup yang dikosongkan lalu diisi ulang dengan nitrogen berkemurnian lebih dari 99,9999%, karena oksigen menelan cahaya ini. Sifat itu sekaligus menjadi uji: masukkan sedikit oksigen, dan sinyal 148,4 nanometer lenyap, hanya menyisakan derau latar.
Beberapa nanowatt, sangat bersih
- Dengan masukan 920 miliwatt cahaya 297 nanometer, sumber ini menghasilkan perkiraan 8,1 nanowatt pada 148,4 nanometer.
- Sinyalnya 38.000 kali lebih kuat daripada latar yang tersisa setelah oksigen ditambahkan.
- Keluaran itu sekitar enam kali 1,3 nanowatt yang dilaporkan tim sebelumnya. Namun para penulis menegaskan bahwa hasil ini diperoleh dengan daya pompa yang jauh lebih besar; per watt kuadrat, kedua konversi sebanding, sehingga tidak terbukti bahwa kristalnya lebih efisien.
Kristal-kristal yang dipotong dari balok yang sama tidak berperilaku sama. Satu bekerja paling baik di sekitar 30 °C, yang lain di sekitar 45 dan 48 °C tergantung titik yang terkena berkas. Setiap potongan memerlukan penyetelan sendiri.
Tiga puluh tiga jam, dan trik melawan pergeseran
Sumber ini bekerja selama 33,3 jam sementara tim melakukan pengukuran serapan nuklir yang dijelaskan dalam makalah pendamping. Keluarannya perlahan naik dari sekitar 5 menjadi 8 juta cacahan per detik, sementara pompanya tetap stabil; penyebab pergeseran ini belum terpecahkan.
Untuk mengatasi pergeseran seperti itu, tim membandingkan setiap milidetik sinyal dengan milidetik tepat sebelum dan sesudahnya. Dalam percobaan terpisah selama tiga jam, acuan lokal (local referencing) ini memungkinkan derau berkurang saat dirata-ratakan hampir sebaik yang dimungkinkan statistik foton, mencapai kestabilan relatif 3,5 × 10⁻⁵ setelah 1.000 detik. Para penulis menyajikannya sebagai uji perata-rataan secara luring, belum sebagai batas deteksi serapan yang terukur.
Menuju sumber yang lebih terang
Sebuah rongga cermin di sekitar kristal yang lebih tipis secara teori dapat menaikkan keluaran hingga sekitar 3,4 mikrowatt — proyeksi yang mengasumsikan kehilangan rendah dan operasi yang stabil. Mendoping kristal atau mengendalikan struktur internalnya adalah jalur lain. Untuk saat ini, hasilnya adalah sumber praktis yang tahan lama untuk “mendengarkan” serapan lemah sebuah inti torium.