Νέο ατομικό ρολόι είναι τόσο ακριβές που μπορεί να επανακαθορίσει το χρόνο

Επιστήμονες κατασκεύασαν το πιο ακριβές ατομικό ρολόι στον κόσμο και είναι τόσο ακριβές, ώστε θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει το δευτερόλεπτο. Ειδικοί από το Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών της Σιγκαπούρης (CQT) ανέπτυξαν μια συσκευή που μπορεί να παρακολουθεί με εξαιρετική ακρίβεια την πάροδο του χρόνου μέχρι και σε τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το ρολόι τους, το οποίο βασίζεται στο στοιχείο λουτήτιο ξεπερνά σε ακρίβεια τα προηγούμενα ρολόγια-κατόχους του ρεκόρ τα οποία είχαν κατασκευαστεί με διαφορετικά στοιχεία. Υποστηρίζουν ότι η συσκευή τους μπορεί να μετρά τον χρόνο με ακρίβεια έως και 19 δεκαδικά ψηφία την καλύτερη επίδοση που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα για οποιοδήποτε οπτικό ατομικό ρολόι.

Είναι τόσο αξιόπιστο ώστε θα χρειαζόταν περισσότερα από 260 δισεκατομμύρια χρόνια για να χάσει ένα δευτερόλεπτο. «Είμαι βέβαιος ότι αυτό που έχουμε τώρα είναι το ακριβέστερο ρολόι στον κόσμο», δήλωσε ο επικεφαλής της ομάδας Μάρει Μπάρετ.

H μέθοδος

Τα ατομικά ρολόγια μετρούν τον χρόνο παρακολουθώντας μια ατομική μετάπτωση, δηλαδή τη διαδικασία κατά την οποία ένα από τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου αλλάζει ενεργειακή στάθμη. Η συχνότητα αυτής της μετάπτωσης αποτελεί σταθερή ιδιότητα του ατόμου. Ένα λέιζερ ρυθμίζεται ώστε να αντιστοιχεί σε αυτή τη μετάπτωση και οι ταλαντώσεις του φωτός λειτουργούν σαν εκκρεμές για τη μέτρηση του χρόνου.

Η βασική αυτή μέθοδος χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες. Τα άτομα καισίου αποτελούν το παγκόσμιο πρότυπο μέτρησης του χρόνου από τη δεκαετία του 1960 ενώ τα ατομικά ρολόγια καισίου υποστηρίζουν ήδη το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS) και συγχρονίζουν δίκτυα επικοινωνιών και μεταφορών.

Στοιχεία όπως το υττέρβιο το στρόντιο και το αλουμίνιο ταλαντώνονται πολύ ταχύτερα από το καίσιο, γεγονός που τους επιτρέπει να μετρούν τον χρόνο με μεγαλύτερη ακρίβεια και να καταρρίπτουν ρεκόρ. Ωστόσο η ομάδα του CQT άρχισε να εργάζεται με το λουτήτιο πριν από περισσότερο από μία δεκαετία, έχοντας την υποψία ότι διέθετε τις κατάλληλες ιδιότητες για να ενταχθεί στην ομάδα των κορυφαίων ρολογιών υψηλής ακρίβειας.

Απ’ όσο γνωρίζουν οι ερευνητές είναι μέχρι στιγμής η μοναδική ομάδα που χρησιμοποιεί αυτό το στοιχείο για τη μέτρηση του χρόνου. Μετά τη μέτρηση της συχνότητας του ρολογιού λουτητίου, οι επιστήμονες ανέφεραν αβεβαιότητα της τάξης του 1 × 10⁻¹⁹ σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «Nature».

Η εξαιρετική απόδοση του λουτητίου οφείλεται στις ιδιότητες του ατόμου του. Η μετάπτωση που χρησιμοποιείται από το ρολόι επηρεάζεται ελάχιστα από τις μεταβολές της θερμοκρασίας ή του μαγνητικού πεδίου δύο παράγοντες που μπορούν να μεταβάλουν τη συχνότητα όταν χρησιμοποιούνται άλλα στοιχεία.

«Στο μέλλον απλώς δεν μπορώ να φανταστώ πώς θα μπορούσε αυτό το ρολόι να ξεπεραστεί. Οι ιδιότητές του σημαίνουν ότι μπορεί να επιτευχθεί πολύ υψηλή ακρίβεια ακόμη και σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλοντικών συνθηκών. Το ρολόι λουτητίου θα παρέμενε σταθερό ακόμη κι αν μεταφερόταν από το πιο θερμό μέρος που έχει καταγραφεί στη Γη, την Κοιλάδα του Θανάτου στην Καλιφόρνια στο πιο ψυχρό μέρος στο οροπέδιο της Ανταρκτικής» αναφέρει ο Μπάρετ.

Η ομάδα του έχει περάσει περισσότερο από μία δεκαετία πραγματοποιώντας μηχανική ακριβείας στην εγκατάσταση του ατομικού ρολογιού και εξετάζοντας διαφορετικές ιδιότητες του ατόμου.

Οι ερευνητές δεν υπολόγισαν απλώς την εκτίμηση για την ακρίβεια του ρολογιού, αλλά την επαλήθευσαν συγκρίνοντας δύο ρολόγια λουτητίου μεταξύ τους. Οι «χτύποι» των δύο ρολογιών συνέπιπταν μέχρι και το 19ο δεκαδικό ψηφίο, κάτι που, σύμφωνα με την ομάδα, αποτελεί την ακριβέστερη σύγκριση ρολογιών που έχει πραγματοποιηθεί ποτέ.

Πώς λειτουργεί το νέο ρολόι

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ένα μοναδικό παγιδευμένο ιόν λουτητίου και λέιζερ για να μετρούν τον χρόνο με πρωτοφανή ακρίβεια. Ιδανικά, η ομάδα θα ήθελε επίσης να συγκρίνει το ρολόι λουτητίου με τα άλλα κορυφαία ατομικά ρολόγια στον κόσμο. Ωστόσο, ρολόγια με τόσο μεγάλη ακρίβεια μπορούν να ανιχνεύσουν ακόμη και την επιβράδυνση του χρόνου που προκαλείται από τη βαρύτητα λόγω διαφορών ύψους της τάξης των χιλιοστών.

Οι διαφορές στη βαρύτητα μεταξύ διαφορετικών σημείων της Γης δεν είναι ακόμη γνωστές με αρκετή ακρίβεια ώστε να μπορούν να συγκριθούν ρολόγια σε αυτό το επίπεδο ακρίβειας. Για να καταστούν δυνατές νέες συγκρίσεις και να διερευνηθούν μελλοντικές εφαρμογές, το ρολόι θα πρέπει να βγει από το εργαστήριο.

«Το επόμενο βήμα είναι να πάρουμε το ρολόι εργαστηριακής κλίμακας και να το μικροποιήσουμε σε ένα σύστημα που μπορεί να μεταφερθεί» αναφέρει ο Μάικλ Λι εκ των επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι μπορούν να κάνουν το ρολόι μικρότερο χωρίς να θυσιάσουν την ακρίβειά του.

Εκτός από την εξαιρετικά ακριβή μέτρηση του χρόνου, αυτού του είδους τα ρολόγια θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη διερεύνηση αναπάντητων ερωτημάτων της φυσικής, στην ανίχνευση απειροελάχιστων μεταβολών στη βαρύτητα και στην αλλαγή του τρόπου με τον οποίο ορίζεται το δευτερόλεπτο. Ο διεθνής οργανισμός που είναι υπεύθυνος για τα πρότυπα μέτρησης του χρόνου εξετάζει δεδομένα από νέα οπτικά ατομικά ρολόγια, με στόχο έναν πιθανό επαναπροσδιορισμό του δευτερολέπτου από το 2030 και μετά.

Ενώ ένα ρολόι στροντίου που παρουσιάστηκε τον Μάρτιο μπορούσε να μετρήσει τον χρόνο έως και 19 δεκαδικά ψηφία το νέο ρολόι λουτητίου προχωρά ακόμη περισσότερο, καθώς η ακρίβειά του επαληθεύτηκε ανεξάρτητα μέχρι το 19ο δεκαδικό ψηφίο. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι πρόκειται για το πρώτο οπτικό ρολόι που επιτυγχάνει αυτό το επίπεδο επαληθευμένης ακρίβειας.

Naftemporiki.gr