Ceas atomic cu lutețiu, record de precizie
O echipă de cercetători de la Centrul pentru Tehnologii Cuantice din Singapore a construit un ceas atomic din lutețiu, despre care susține că este cel mai precis din lume. Rezultatele au fost publicate în revista Nature pe 23 septembrie.
„Sunt încrezător că ceea ce avem acum este cel mai precis ceas din lume”, a declarat Murray Barrett, liderul echipei, cercetător principal la centrul din Singapore și profesor asociat la Departamentul de Fizică al Universității Naționale din Singapore.
Cum funcționează un ceas atomic
Ceasurile atomice măsoară timpul prin referire la o tranziție atomică, când un electron al unui atom își schimbă nivelul de energie. Frecvența acestei tranziții este o proprietate fixă a atomului. Un laser este acordat pe această tranziție, iar oscilațiile luminii acționează ca un pendul pentru numărarea timpului.
Metoda este folosită de zeci de ani. Atomii de cesiu stabilesc standardul global de timp din anii 1960, iar ceasurile cu cesiu susțin deja Sistemul Global de Poziționare (GPS) și sincronizează rețelele de comunicații și transport.
Oamenii de știință au testat însă și alte elemente. Yterbiu, stronțiu și aluminiu oscilează mult mai rapid decât cesiul, ceea ce ajută la o măsurare mai precisă a timpului. Organismul internațional responsabil de standardele de timp analizează datele acestor ceasuri optice pentru o redefinire a secundei, așteptată în sau după 2030.
Performanța ceasului cu lutețiu
Echipa de la Singapore lucrează cu lutețiu de peste un deceniu, pornind de la presupunerea că elementul are proprietățile potrivite pentru a intra în categoria celor mai performante ceasuri. Potrivit echipei, este singurul grup care folosește acest element pentru măsurarea timpului.
Cercetătorii au măsurat frecvența ceasului cu lutețiu până la a 19-a zecimală, raportând o incertitudine de 1 x 10-19, cea mai scăzută înregistrată până acum pentru un ceas atomic optic. De asemenea, au construit două ceasuri și au comparat măsurătorile. Acestea au concordat cu o incertitudine de 5,7 x 10-19, cea mai precisă comparație de acest tip realizată vreodată. Mai multe măsurători ar putea reduce și această incertitudine.
De ce lutețiul are un avantaj
Performanța ridicată a lutețiului vine din proprietățile atomului: tranziția sa de ceas este aproape insensibilă la variațiile de temperatură sau de câmp magnetic. La alte elemente, acești factori de mediu pot modifica ușor frecvența tranziției.
„În viitor, nu văd cum acest ceas ar putea fi întrecut”, spune Barrett. Echipa sa a petrecut peste un deceniu făcând inginerie de precizie pentru ceasul atomic și testând diferite proprietăți ale atomului, inclusiv inventarea unei scheme numite „mediere hiperfină” pentru definirea tranziției de ceas.
„Proprietățile bune înseamnă că o precizie ridicată poate fi atinsă chiar și într-o gamă largă de medii”, spune Barrett. „Ceasul cu lutețiu ar fi stabil chiar dacă l-ai muta din cel mai fierbinte loc înregistrat pe Pământ, Valea Morții, în cel mai rece loc din platoul antarctic.”
Comparația dintre două ceasuri
Încrederea echipei este susținută de comparația dintre ceasuri, realizată prin intermediul unei tehnici numite spectroscopie de corelație, pe parcursul a 200 de ore de măsurători. Fiecare ceas cu lutețiu constă dintr-un singur ion încărcat de 176Lu+, cu o tranziție de ceas corespunzătoare unui laser cu lungimea de undă de 848 de nanometri.
„Există o vorbă în glumă că «un om cu un ceas știe cât e ceasul, dar un om cu două ceasuri nu este niciodată sigur»”, spune Kyle Arnold, cercetător științific senior la centrul din Singapore și coautor principal al lucrării. „În esență, asta arată că singura modalitate de a testa acuratețea unui standard este să compari ceasuri și să demonstrezi reproductibilitatea.”
Ideal ar fi ca echipa să compare ceasul cu lutețiu și cu alte ceasuri atomice de top din lume, dar există o dificultate. Ceasurile atomice optice la nivelul de 10-19 sunt atât de precise încât pot detecta încetinirea timpului cauzată de gravitație pe diferențe de înălțime de ordinul milimetrilor. Comparația echipei a putut rezolva o diferență de înălțime de 5 milimetri între ceasurile aflate pe aceeași masă. Pentru a se asigura că aceasta nu a limitat măsurătoarea, cercetătorii au măsurat independent diferența de înălțime a ionilor de Lu+ cu o precizie de un milimetru. Diferențele de gravitație dintre locurile de pe Pământ nu sunt încă cunoscute suficient de bine pentru a compara ceasuri la acest nivel.
Pentru a permite noi comparații și a explora aplicații viitoare, ceasul trebuie scos din laborator. „Următorul pas este să luăm ceasul de laborator și să îl miniaturizăm într-un sistem transportabil”, spune Michael Lee, coautor principal al lucrării și student la doctorat în echipa de la Universitatea Națională din Singapore. Cercetătorii se așteaptă să poată reduce dimensiunea ceasului fără a-i compromite precizia.
