The Knowledge Frontier

FisikaPracetakEksperimen3 menit baca

LASER PALING STABIL YANG PERNAH DIBUAT

Jam atom terbaik menghitung getaran cahaya yang diserap atom. Untuk itu, jam tersebut membutuhkan laser yang frekuensinya nyaris tidak bergeser, agar bisa memeriksa transisi atom yang sangat sempit. Laser paling stabil saat ini dikunci pada rongga silikon kriogenik: dua cermin yang dijaga terpisah oleh sebatang silikon kristal tunggal, didinginkan jauh di bawah suhu ruang. Cahaya yang memantul bolak-balik di antara cermin hanya beresonansi pada frekuensi yang sangat presisi, dan laser dipaksa untuk mengikutinya.

Rongga semacam itu sudah mencapai kestabilan relatif pada tingkat 10⁻¹⁷ — frekuensinya berkeliaran sekitar seperseratus juta dari sepermiliar nilainya. Dalam banyak eksperimen, laser masih menjadi salah satu sumber derau utama — jadi laser yang lebih stabil langsung memperbaiki pengukuran.

Cermin yang bergoyang

Yang membatasi rongga silikon terbaik adalah derau termal Brown dalam lapisan cermin: lapisan reflektif yang tipis tak pernah diam sempurna, karena panas membuat atom-atomnya bergoyang. Gerakan sangat kecil itu mengubah panjang rongga, dan bersamanya, warna cahaya.

Ben Lewis, Jun Ye, dan rekan-rekan mereka di JILA (NIST dan University of Colorado, Boulder), bersama fisikawan dari Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Braunschweig, Jerman, membuat dua perubahan pada rongga silikon 21 sentimeter sebelumnya:

  • Lebih dingin. Sistem sebelumnya bekerja pada 124 K, salah satu suhu tempat silikon berhenti memuai atau menyusut akibat panas. Rongga baru, bernama Si7, bekerja pada 16 K, suhu lain yang serupa, atau pada 6 K, suhu terdingin yang bisa dicapai kriostatnya.
  • Berkas yang lebih lebar. Dengan memakai cermin yang lengkungnya lebih landai (jari-jari kelengkungan 10,2 meter, alih-alih 1 meter), titik cahaya pada cermin membesar dari 480 menjadi 850 mikrometer jari-jarinya — memperlebar berkas adalah salah satu cara yang dikenal untuk menurunkan derau termal.

Bersama-sama, keduanya memangkas derau termal tiga hingga lima kali dibandingkan sistem sebelumnya.

Melawan getaran dalam dingin

Kedua perubahan itu biasanya membuat rongga lebih peka terhadap getaran, dan mencapai 6 atau 16 K membutuhkan pendingin kriogenik helium — mesin yang berguncang. Tim meletakkan pendingin itu di lantai di samping meja optik, lalu mengalirkan helium dingin lewat pipa ke eksperimen. Rongga diletakkan di atas meja isolasi getaran aktif, ditopang di bagian tengahnya oleh tiga bola rubi berdiameter 6 milimeter.

Dingin membawa masalah lain: di dekat nol mutlak, material hanya menyimpan sangat sedikit panas, sehingga ayunan suhu sulit diredam. Solusinya adalah erbium, yang pada 16 K menyimpan panas 6 kali lebih banyak per volume daripada baja tahan karat dan 13 kali lebih banyak daripada tembaga. Lapisan-lapisan pelindung dan massa erbium memperlambat setiap perubahan suhu hingga skala waktu sekitar empat hari. Sensor kendali dijaga pada 16,183 K, dan sebuah sensor independen tetap berada dalam 100 sepersejuta derajat dari targetnya.

Rekornya

Dibandingkan dengan dua rongga silikon lain dan sebuah jam atom stronsium, laser ini mencapai:

  • pada 6 K, kestabilan relatif 7 × 10⁻¹⁸ untuk waktu perata-rataan 2 hingga 50 detik — sebuah rekor baru: fluktuasi hanya sekitar 1,4 perseribu hertz — dan lebar garis (sebaran frekuensi laser itu sendiri) 2,5 milihertz pada frekuensi cahaya 194 terahertz;
  • pada 16 K, 9 × 10⁻¹⁸, lebar garis 2,9 mHz, tetapi perilaku yang lebih baik dalam rentang berhari-hari.

Derau turun ketika rongga menjadi lebih dingin, yang menunjukkan bahwa laser telah mencapai batas yang dituju: derau termal lapisan cermin, bukan getaran atau elektronika.

Dalam dua putaran selama 14 dan 7 hari, jam stronsium melacak pergeseran lambat rongga: kurang dari 4 mikrohertz per detik, sebanding dengan maser hidrogen (osilator acuan di laboratorium waktu) dan sepuluh kali lebih kecil daripada rongga silikon yang dioperasikan pada 124 K. Rongga ini mencapainya sembilan bulan setelah didinginkan; rongga 124 K butuh satu dasawarsa.

Mengamati atom selama berdetik-detik

Laser ini sudah bekerja. Saat menggerakkan jam kisi optik stronsium (atom-atom yang terperangkap dalam kisi cahaya laser), laser ini memungkinkan atom diperiksa selama lebih dari 10 detik — dan makin lama pemeriksaannya, makin sempit garis atomnya, sehingga makin presisi jam menemukan titik tengahnya. Setelah 12 detik, sinyal interferensi (frinji Ramsey) masih mempertahankan 75% kontrasnya, dan satu pulsa tunggal 12,4 detik menghasilkan garis yang lebarnya hanya 64 milihertz. Keadaan tereksitasi stronsium-87 yang dipakai jam ini bertahan sekitar 170 detik — batas berikutnya untuk waktu interogasi.

Laser baru ini akan menggantikan acuan JILA sebelumnya dan, menurut para penulis, memungkinkan semua jam optik di jaringan Boulder mencapai presisi tertentu hingga sepuluh kali lebih cepat. Lapisan cermin kristalin bisa menurunkan derau termal hingga sekitar 1,5 × 10⁻¹⁸ pada 6 K; rongga yang lebih dingin dan lebih panjang atau berkas yang lebih lebar bisa menekannya hingga 1 × 10⁻¹⁸ atau lebih rendah. Satu misteri tersisa: derau tambahan di atas 100 detik, yang sumbernya belum bisa ditentukan oleh sensor mana pun di dalam kriostat.