Inti atom sebagai pencatat waktu: sebuah teknologi baru yang akan lebih akurat daripada jam atom (Kredit: Oliver Diekmann, TU Wien)
WINA, Austria — Dari jam matahari hingga jam atom, upaya manusia untuk mengukur waktu telah menjadi perjalanan yang semakin presisi. Kini, perjalanan itu telah mencapai batas baru dengan terciptanya jam nuklir pertama di dunia – sebuah perangkat yang menjanjikan akan merevolusi segalanya mulai dari navigasi GPS hingga pemahaman kita tentang alam semesta dengan menggunakan inti atom itu sendiri.
Tonggak sejarah ini, dilaporkan dalam jurnal Alammenandai dimulainya era baru dalam ketepatan waktu. Hal ini dapat merevolusi segalanya mulai dari navigasi GPS hingga pemahaman kita tentang hukum dasar fisika. Perkembangan ini mendorong batas-batas kemungkinan dalam ilmu pengukuran dan membawa kita selangkah lebih dekat untuk mengungkap misteri alam semesta.
Inti dari terobosan ini adalah sebuah atom unik yang disebut torium-229Tidak seperti kebanyakan inti atom, yang membutuhkan energi dalam jumlah besar untuk tereksitasi, thorium-229 memiliki keadaan tereksitasi nuklir yang dapat dicapai dengan menggunakan sinar ultraviolet. Sifat unik ini menjadikannya kandidat yang sempurna untuk membuat jam nuklir – sebuah jam yang berpotensi mengungguli bahkan jam atom tercanggih yang tersedia saat ini.
Pencapaian ini merupakan hasil kolaborasi antara peneliti dari JILA, sebuah lembaga gabungan antara University of Colorado Boulder dan National Institute of Standards and Technology (NIST), dan ilmuwan dari Vienna University of Technology (TU Wien). Karya mereka menggabungkan teknologi laser mutakhir dengan jam atom presisi dan kristal rekayasa khusus yang mengandung atom thorium.
“Dengan prototipe pertama ini, kami telah membuktikan: Thorium dapat digunakan sebagai pencatat waktu untuk pengukuran dengan presisi sangat tinggi. Yang tersisa hanyalah pekerjaan pengembangan teknis, tanpa hambatan besar yang dapat diharapkan,” kata Thorsten Schumm dari TU Wien, salah satu peneliti utama proyek tersebut, dalam rilis media.
Untuk memahami pentingnya pencapaian ini, ada baiknya untuk mengetahui cara kerja pencatat waktu terbaik kita saat ini. Jam paling akurat saat ini, yang dikenal sebagai jam atom, menggunakan osilasi cahaya laser untuk menghitung waktu, seperti pendulum yang berdetak sangat cepat. Osilasi ini dijaga agar tetap stabil dengan mencocokkannya dengan transisi energi atom seperti cesium atau strontium.
Jam nuklir membawa konsep ini selangkah lebih maju. Alih-alih menggunakan transisi pada kulit elektron sebuah atom, ia menggunakan transisi di dalam inti atom itu sendiri. Ini adalah hal yang penting karena inti atom jauh lebih kecil daripada atom dan jauh lebih sedikit terpengaruh oleh gangguan eksternal seperti medan elektromagnetik. Secara teori, ini berarti jam nuklir bisa jauh lebih tepat dan stabil daripada jam atom.
Jalan menuju terobosan ini panjang dan penuh tantangan. Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah mengetahui bahwa thorium-229 berpotensi untuk jam nuklir, tetapi energi pasti yang dibutuhkan untuk mengeksitasi nukleusnya masih sulit dipahami. Baru pada awal tahun ini tim Schumm di TU Wien akhirnya berhasil mengukur energi ini secara tepat dan menggunakan laser untuk mengalihkan nukleus thorium antara dua keadaan kuantum.
Berdasarkan keberhasilan ini, tim JILA yang dipimpin oleh Jun Ye mengambil langkah penting berikutnya. Mereka mengembangkan sistem canggih yang menggabungkan jam atom strontium yang sangat stabil dengan pengaturan laser khusus yang disebut sisir frekuensi. Pengaturan ini memungkinkan mereka menghasilkan cahaya ultraviolet yang tepat yang dibutuhkan untuk merangsang inti thorium yang tertanam dalam kristal.
“Bayangkan sebuah jam tangan yang tidak akan kehilangan satu detik pun meskipun Anda membiarkannya menyala selama miliaran tahun,” kata Ye, seorang fisikawan NIST dan JILA. “Meskipun kita belum sampai di sana, penelitian ini membawa kita lebih dekat ke tingkat presisi itu.”
Kristal itu sendiri merupakan keajaiban rekayasa. Dikembangkan di TU Wien selama beberapa tahun, kristal itu mengandung inti thorium-229 dalam konfigurasi yang tepat untuk berinteraksi dengan cahaya laser.
“Kristal ini adalah elemen utama percobaan ini,” jelas Schumm.
Ketika para peneliti menyorotkan sinar ultraviolet yang disetel dengan tepat pada kristal tersebut, mereka dapat mengamati inti thorium yang beralih di antara status energi. Dengan mengukur frekuensi cahaya yang tepat yang menyebabkan perubahan ini, mereka secara efektif menciptakan jam nuklir pertama di dunia.
Ketepatan yang dicapai dalam percobaan ini sungguh mencengangkan. Tim tersebut mampu mengukur perbedaan energi antara dua keadaan nuklir hingga beberapa kilohertz – sejuta kali lebih tepat daripada pengukuran sebelumnya. Tingkat ketepatan ini sama dengan mengukur jarak antara New York dan Los Angeles hingga selebar rambut manusia.
Terlebih lagi, jika jam ini berjalan selama umur alam semesta – sekitar 13,8 miliar tahun – maka selisihnya hanya sekitar 0,02 detik. Itu berarti akurasinya sekitar 99,9999999999999%. Tingkat presisi ini jauh melampaui apa yang mungkin terjadi beberapa tahun yang lalu dan membawa kita semakin dekat untuk mengungkap ranah baru fisika fundamental.
Implikasi dari penelitian ini jauh melampaui sekadar memberi tahu waktu dengan sangat, sangat baik. Mereka dapat digunakan untuk mendeteksi materi gelap, zat misterius yang membentuk sebagian besar alam semesta tetapi belum pernah diamati secara langsung. Mereka juga dapat membantu para ilmuwan menguji apakah konstanta fundamental alam benar-benar konstan atau berubah seiring waktu – sebuah pertanyaan dengan implikasi mendalam bagi pemahaman kita tentang alam semesta.
Dalam istilah yang lebih praktis, jam nuklir dapat menghasilkan peningkatan signifikan dalam teknologi yang kita gunakan setiap hari. Sistem GPS dapat menjadi lebih akurat, berpotensi menentukan lokasi hingga ke milimeter. Kecepatan internet dapat meningkat, dan koneksi jaringan dapat menjadi lebih andal. Komunikasi digital dapat menjadi lebih aman.
Meskipun ada kemungkinan-kemungkinan yang menarik ini, penting untuk dicatat bahwa jam nuklir pertama ini masih berupa prototipe. Jam ini belum melampaui ketepatan jam atom terbaik. Akan tetapi, para peneliti yakin bahwa dengan pengembangan lebih lanjut, jam nuklir akan segera melampaui jam atom.
“Tujuan kami adalah mengembangkan teknologi baru. Setelah teknologi itu ada, peningkatan kualitas akan terjadi secara alami, dan itu selalu terjadi,” kata Schumm. “Mobil pertama tidak lebih cepat dari kereta kuda. Tujuannya adalah memperkenalkan konsep baru. Dan itulah yang kini telah kami capai dengan jam nuklir.”
Perjalanan dari prototipe ini ke jam nuklir yang praktis dan banyak digunakan akan memerlukan penelitian dan rekayasa lebih lanjut. Para ilmuwan perlu menemukan cara untuk membuat sistem lebih kompak dan kuat. Mereka juga perlu mempelajari dan mengurangi berbagai sumber kesalahan dan ketidakstabilan.
Meskipun demikian, pencapaian ini merupakan tonggak penting dalam pencarian ketepatan waktu yang lebih akurat. Seiring kita terus mendorong batas-batas ilmu pengukuran, kita membuka jalan baru untuk mengeksplorasi sifat dasar alam semesta kita dan mengembangkan teknologi yang tampak seperti fiksi ilmiah beberapa dekade lalu.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan sistem canggih yang menggabungkan jam atom strontium yang sangat stabil dengan pengaturan laser khusus yang disebut sisir frekuensi. Pengaturan ini memungkinkan mereka untuk menghasilkan cahaya ultraviolet yang tepat yang dibutuhkan untuk membangkitkan inti thorium-229 yang tertanam dalam kristal kalsium fluorida.
Sisir frekuensi berfungsi seperti penggaris cahaya yang sangat akurat, yang memungkinkan para peneliti menghitung jumlah siklus gelombang ultraviolet yang menciptakan lonjakan energi dalam inti torium. Mereka memindai frekuensi sisir sambil memantau tanda-tanda bahwa inti torium telah menyerap cahaya, yang menunjukkan bahwa mereka telah menemukan frekuensi transisi yang tepat.
Hasil Utama
Percobaan tersebut mengungkap perbedaan energi antara dua keadaan inti thorium-229 dengan presisi yang belum pernah ada sebelumnya. Tim mengukur perbedaan ini hingga beberapa kilohertz – sejuta kali lebih presisi daripada pengukuran sebelumnya. Mereka menyatakan hasil mereka sebagai rasio frekuensi antara transisi thorium dan frekuensi jam strontium, yang memungkinkan perbandingan mudah dengan pengukuran lainnya. Para peneliti juga dapat mengamati detail dalam bentuk inti thorium yang belum pernah terlihat sebelumnya.
Keterbatasan Studi
Meski inovatif, karya ini memiliki beberapa keterbatasan. Prototipe saat ini belum melampaui ketepatan jam atom terbaik. Inti thorium tertanam dalam kristal, yang memengaruhi frekuensi transisi dan dapat menimbulkan ketidakpastian. Selain itu, eksperimen ini belum menunjukkan jam nuklir yang berfungsi penuh dan praktis – ini merupakan langkah penting menuju ke sana, tetapi masih diperlukan lebih banyak pekerjaan untuk menciptakan perangkat penunjuk waktu yang ringkas dan tangguh.
Diskusi & Kesimpulan
Penelitian ini merupakan kemajuan besar dalam menciptakan jam nuklir praktis berdasarkan thorium-229. Jam semacam itu bisa jauh lebih akurat dan stabil daripada jam atom saat ini, dengan aplikasi potensial dalam pengujian fisika fundamental, sistem GPS yang lebih baik, dan navigasi luar angkasa.
Presisi tinggi yang dicapai dalam penelitian ini juga memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang inti thorium itu sendiri dan bagaimana ia berinteraksi dengan lingkungannya. Teknik tim untuk pengukuran dan pengendalian frekuensi dapat memiliki aplikasi di luar thorium, yang berpotensi menguntungkan bidang spektroskopi presisi dan sains kuantum lainnya.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh beberapa lembaga pendanaan, termasuk Kantor Penelitian Angkatan Darat, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, Yayasan Sains Nasional, dan Institut Standar dan Teknologi Nasional. Beberapa peneliti menerima dukungan tambahan dari lembaga seperti Dewan Riset Nasional dan Yayasan Humboldt. Kristal yang didoping thorium dikembangkan dengan dukungan dari hibah penelitian Eropa. Para penulis menyatakan tidak ada kepentingan yang saling bertentangan, yang menjamin integritas dan independensi penelitian.
