(© Justlight | Dreamstime.com)
Pendeknya
- Para ilmuwan telah menciptakan jam atom paling presisi yang pernah dibuat, menggunakan kristal yang terdiri dari banyak atom, bukan hanya satu. Desain baru ini hanya akan kehilangan satu detik jika sudah berjalan sejak awal mula alam semesta.
- Tidak seperti jam atom tradisional yang menggunakan gelombang mikro, jam generasi berikutnya ini menggunakan sinar laser dan berbagai jenis atom yang bekerja bersama-sama, sehingga secara drastis mengurangi waktu yang diperlukan untuk pengukuran akurat dari berminggu-minggu menjadi berhari-hari.
- Selain menjaga waktu tetap lebih baik, terobosan ini juga dapat meningkatkan navigasi GPS, membantu menguji teori tentang alam semesta, dan bahkan mengukur bagaimana gravitasi berubah pada ketinggian berbeda di permukaan bumi dengan mendeteksi perbedaan kecil dalam perjalanan waktu.
1 per triliun detik: Jam atom baru melampaui batas presisi
BRAUNSCHWEIG, Jerman — Pengukuran waktu memasuki era baru. Jam atom generasi berikutnya menggunakan sinar laser sebagai pengganti gelombang mikro untuk melacak waktu, berosilasi sekitar 100.000 kali lebih cepat dibandingkan standar penunjuk waktu saat ini. Kini, para ilmuwan di The Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), lembaga metrologi nasional Jerman, telah mengembangkan jam atom inovatif yang mencapai presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya, dengan ketidakpastian hanya 2,5 bagian dalam satu triliun.
Untuk membantu memvisualisasikan ketepatan yang luar biasa ini: jika jam ini telah berjalan sejak Big Bang, sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, jam ini akan kehilangan paling banyak satu detik dalam seluruh rentang waktu tersebut. Tingkat akurasi ini menunjukkan peningkatan dramatis dibandingkan jam atom yang ada dan membawa kita lebih dekat untuk mendefinisikan ulang cara kita mengukur waktu itu sendiri.
Jam atom saat ini, yang menggunakan atom cesium dan gelombang mikro, telah menjadi standar waktu global selama beberapa dekade. Namun jam generasi baru yang menggunakan sinar laser dan bukan gelombang mikro telah menunjukkan akurasi hingga 100 kali lebih baik dibandingkan standar tradisional ini. Terobosan terbaru dari PTB semakin mendorong batasan-batasan tersebut.
Inti dari inovasi ini adalah desain unik yang menggunakan “kristal Coulomb” spesies campuran, yaitu susunan tepat dari berbagai jenis atom (ion) bermuatan listrik yang ditahan oleh medan listrik. “Kami menggunakan ion indium karena memiliki sifat yang menguntungkan untuk mencapai akurasi tinggi. Untuk pendinginan yang efisien, ion ytterbium ditambahkan ke kristal,” jelas fisikawan PTB Jonas Keller. Anggap saja sebagai upaya tim mikroskopis, di mana atom-atom yang berbeda bekerja sama untuk mencapai hasil yang lebih baik daripada yang bisa dilakukan sendirian.
Jam atom tradisional berbasis ion menghadapi keterbatasan yang signifikan: jam tersebut biasanya hanya menggunakan satu ion, sehingga memerlukan periode pengukuran hingga dua minggu untuk mencapai presisi tinggi. Untuk mencapai ketepatan maksimum teoritisnya, mereka perlu berjalan selama lebih dari tiga tahun. Jam baru ini mengatasi tantangan ini dengan menggunakan beberapa ion secara bersamaan, sehingga secara dramatis mengurangi waktu yang diperlukan untuk pengukuran yang tepat.
Penciptaan sistem multi-ion ini memerlukan penyelesaian beberapa tantangan teknik yang kompleks. Tim peneliti, yang dipimpin oleh Tanja Mehlstäubler, mengembangkan perangkap ion khusus yang mampu mempertahankan kondisi yang tepat untuk banyak ion, bukan hanya satu. Mereka juga menciptakan metode baru untuk memposisikan ion pendingin dalam struktur kristal, memastikan kinerja optimal.
Saat diuji terhadap jam atom mutakhir lainnya, termasuk jam berbasis strontium dan jenis jam ytterbium lainnya, penunjuk waktu baru ini menunjukkan stabilitas yang luar biasa. Perbandingan tersebut, yang dilakukan selama sekitar satu minggu, menghasilkan pengukuran rasio frekuensi paling tepat yang pernah tercatat. Yang paling penting, ketika melakukan pengukuran terhadap jam berbasis ytterbium, mereka mencapai ketidakpastian hanya sebesar 4,4 bagian dalam satu triliun – menandai tonggak penting dalam perjalanan menuju pendefinisian ulang satuan dasar waktu.
Implikasi dari kemajuan ini lebih dari sekadar menjaga waktu lebih baik. Jam ultra-presisi ini memungkinkan pengujian baru terhadap teori fisika fundamental dan meningkatkan pemahaman kita tentang alam semesta. Penerapan yang lebih praktis mungkin mencakup peningkatan sistem navigasi global dan pengukuran bentuk bumi serta medan gravitasi bumi yang lebih akurat, suatu teknik yang dikenal sebagai perataan kronometrik, di mana sedikit perbedaan dalam pengaruh gravitasi terhadap waktu dapat diukur antara ketinggian yang berbeda.
Fleksibilitas desainnya menunjukkan penerapan yang lebih luas di masa depan. Teknologi ini dapat diadaptasi untuk bekerja dengan berbagai jenis ion dan memungkinkan pendekatan baru terhadap pengukuran presisi, termasuk penggunaan efek kuantum pada banyak atom atau pengukuran berurutan pada beberapa kelompok atom.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menciptakan jam mereka menggunakan kombinasi ion indium dan ytterbium yang terperangkap dalam perangkap ion chip 3D khusus. Mereka mengembangkan rangkaian persiapan unik yang memastikan ion mempertahankan posisi tertentu dalam struktur kristal, menggunakan teknik pendinginan laser untuk menjaga ion pada suhu yang sangat rendah. Jam beroperasi melalui serangkaian tahapan: persiapan, pendinginan, interogasi, dan deteksi, dengan setiap tahap dikontrol dengan cermat untuk menjaga presisi.
Hasil
Jam tersebut mencapai ketidakpastian sistematis sebesar 2,5 × 10^-18, dengan pengukuran menunjukkan kinerja yang konsisten selama periode yang lama. Ketika dioperasikan dengan empat ion jam, ini menunjukkan ketidakstabilan 9,2 × 10^-16 per akar kuadrat waktu rata-rata dalam hitungan detik. Tim melakukan pengukuran rasio frekuensi dengan jam atom lainnya, mencapai presisi yang memecahkan rekor dalam perbandingannya.
Keterbatasan
Keterbatasan saat ini mencakup kebutuhan untuk peluruhan spontan keadaan tereksitasi selama persiapan keadaan, yang menambah waktu mati dan mengurangi efisiensi. Ketidakpastian dalam mengukur sudut antara laser jam dan sumbu mode radial juga berkontribusi terhadap ketidakpastian pengukuran. Variasi suhu dan fluktuasi medan magnet menghadirkan tantangan berkelanjutan yang perlu dikelola.
Diskusi & Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan kelayakan jam multi-ion untuk mencapai ketepatan pengukuran waktu yang belum pernah terjadi sebelumnya. Desain yang terukur membuka jalan menuju pengukuran yang lebih presisi, sehingga berpotensi memungkinkan penerapan baru dalam penelitian fisika dasar dan teknologi praktis. Pencapaian pengukuran rasio frekuensi paling akurat hingga saat ini merupakan tonggak penting dalam metrologi presisi.
Pendanaan dan Pengungkapan
Penelitian ini mendapat dukungan dari berbagai sumber, termasuk program EMPIR yang dibiayai bersama oleh Negara-negara yang Berpartisipasi dan program penelitian dan inovasi Horizon 2020 Uni Eropa. Pendanaan tambahan datang dari Deutsche Forschungsgemeinschaft dan Max-Planck-RIKEN-PTB-Pusat Waktu, Konstanta dan Simetri Fundamental.
Informasi Publikasi
Diterbitkan di Surat Tinjauan FisikVolume 134, Edisi 023201 (2025), makalah ini ditulis oleh tim peneliti terutama dari Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Braunschweig, Jerman, dengan kontribusi tambahan dari Institut für Quantenoptik dan Laboratorium Teknik Nano dan Kuantum di Leibniz Universität Hannover . Penelitian ini juga didukung oleh German Research Foundation (DFG) dalam kerangka Quantum Frontiers Cluster of Excellence dan DQ-mat Collaborative Research Center.
