Σιγκαπούρη: Επιστήμονες υποστηρίζουν ότι κατασκεύασαν το ακριβέστερο ατομικό ρολόι στον κόσμο

Επιστήμονες από τη Σιγκαπούρη μέτρησαν τη συχνότητα ενός ρολογιού λουτητίου με ακρίβεια 19 δεκαδικών ψηφίων.

Φανταστείτε ένα δευτερόλεπτο χωρισμένο σε τρισεκατομμύρια μικροσκοπικά χρονικά διαστήματα και καθένα από αυτά να καταγράφεται. Με αυτή την ακρίβεια λειτουργεί ένα ατομικό ρολόι στο Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών (CQT) της Σιγκαπούρης, καταγράφοντας τον χρόνο με επίδοση που αποτελεί ρεκόρ, σύμφωνα με τα αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν στο Nature στις 23 Σεπτεμβρίου.

Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, Murray Barrett, κύριος ερευνητής του CQT και αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης, δηλώνει: «Είμαι βέβαιος ότι αυτό που έχουμε τώρα είναι το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο».

Η θέση των ερευνητών στηρίζεται σε μετρήσεις, σύμφωνα με τις οποίες το ατομικό ρολόι που δημιούργησαν με βάση το στοιχείο λουτήτιο παρουσιάζει καλύτερη απόδοση από τα προηγούμενα ρολόγια-κατόχους του ρεκόρ, τα οποία βασίζονταν σε άλλα στοιχεία.

Πριν από περισσότερα από δέκα χρόνια, η ομάδα του CQT ξεκίνησε να μελετά το λουτήτιο, εκτιμώντας ότι οι ιδιότητές του θα μπορούσαν να το καταστήσουν κατάλληλο για τα κορυφαία ατομικά ρολόγια. Μέχρι σήμερα, απ’ όσο γνωρίζει, πρόκειται για τη μοναδική ερευνητική ομάδα που χρησιμοποιεί το συγκεκριμένο στοιχείο για τη μέτρηση του χρόνου.

Η συχνότητα του ρολογιού λουτητίου καταγράφηκε πλέον με ακρίβεια 19 δεκαδικών ψηφίων, ενώ η αβεβαιότητα υπολογίστηκε σε 1 x 10-19 — τη μικρότερη που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα για οποιοδήποτε οπτικό ατομικό ρολόι. Οι ερευνητές κατασκεύασαν ακόμη δύο ρολόγια και συνέκριναν τον ρυθμό λειτουργίας τους. Η μεταξύ τους συμφωνία έδειξε αβεβαιότητα 5,7 x 10-19, επίδοση που αποτελεί την ακριβέστερη σύγκριση ρολογιών μέχρι σήμερα. Η συλλογή περισσότερων μετρήσεων ενδέχεται να περιορίσει κι άλλο αυτή την αβεβαιότητα.

Το λουτήτιο προσφέρει σημαντικό πλεονέκτημα

Η υψηλή επίδοση του λουτητίου συνδέεται με τα χαρακτηριστικά του ατόμου του, καθώς η μετάβαση που χρησιμοποιείται στο ρολόι επηρεάζεται ελάχιστα από μεταβολές στη θερμοκρασία και στο μαγνητικό πεδίο. Σε άλλα στοιχεία, αντίθετα, οι περιβαλλοντικές συνθήκες μπορούν να προκαλέσουν μικρές αλλαγές στη συχνότητα της συγκεκριμένης μετάβασης.

«Στο μέλλον, απλά δεν βλέπω πώς αυτό το ρολόι μπορεί να ξεπεραστεί», λέει ο Αναπληρωτής Καθηγητής Barrett. Για πάνω από μία δεκαετία, η ομάδα του εξελίσσει με μεγάλη ακρίβεια τη ρύθμιση του ατομικού ρολογιού, εξετάζοντας διαφορετικές ιδιότητες του ατόμου. Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας δημιούργησε και μια μέθοδο που ονομάζεται «υπερλεπτός μέσος όρος», προκειμένου να προσδιορίσει τη μετάβαση του ρολογιού.

«Οι καλές ιδιότητες σημαίνουν ότι μπορεί να επιτευχθεί υψηλή ακρίβεια ακόμη και σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων», λέει ο Αναπληρωτής Καθηγητής Barrett. «Το ρολόι του λουτεσίου θα ήταν σταθερό ακόμα και αν πηγαίνατε από το πιο ζεστό μέρος που έχει καταγραφεί στη Γη, στην Κοιλάδα του Θανάτου, στο πιο κρύο μέρος στο οροπέδιο της Ανταρκτικής».

Δύο ρολόγια δίνουν πιο αξιόπιστο αποτέλεσμα

Η εμπιστοσύνη των ερευνητών στα αποτελέσματα ενισχύθηκε από τη διαδικασία σύγκρισης των δύο ρολογιών, η οποία βασίστηκε σε τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία συσχέτισης και διήρκεσε 200 ώρες μετρήσεων.

Στο εσωτερικό κάθε ρολογιού λουτεσίου βρίσκεται ένα και μοναδικό φορτισμένο ιόν 176 Lu+, του οποίου η μετάβαση ρολογιού αντιστοιχεί σε λέιζερ με μήκος κύματος 848 νανόμετρα.

Ο Δρ. Kyle Arnold, ανώτερος ερευνητής του CQT στο NUS και συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης, αναφέρει: «Υπάρχει μια χιουμοριστική παροιμία που λέει ότι «Ένας άνθρωπος με ρολόι ξέρει τι ώρα είναι. Ένας άνθρωπος με δύο ρολόγια δεν είναι ποτέ σίγουρος»». Και προσθέτει: «Ουσιαστικά, σας λέει ότι ο μόνος τρόπος για να ελέγξετε την ακρίβεια ενός προτύπου είναι να συγκρίνετε ρολόγια και να επιδείξετε την αναπαραγωγιμότητα».

Σε ιδανικές συνθήκες, οι ερευνητές θα έβαζαν το ρολόι λουτησίου σε σύγκριση και με τα άλλα κορυφαία ατομικά ρολόγια του κόσμου, όμως κάτι τέτοιο παρουσιάζει δυσκολίες. Τα οπτικά ατομικά ρολόγια με ακρίβεια στο επίπεδο 10-19 μπορούν να ανιχνεύσουν την επιβράδυνση του χρόνου που προκαλεί η βαρύτητα ακόμη και για διαφορές ύψους λίγων χιλιοστών. Η συγκριτική μέτρηση της ομάδας του CQT θα μπορούσε να εντοπίσει διαφορά ύψους 5 mm ανάμεσα στα δύο ρολόγια, παρότι βρίσκονται πάνω στο ίδιο τραπέζι. Για να αποκλείσουν την επίδραση αυτού του παράγοντα, μέτρησαν ξεχωριστά τη διαφορά ύψους των ιόντων Lu+ με ακρίβεια κάτω του χιλιοστού. Ωστόσο, οι βαρυτικές διαφορές μεταξύ διαφορετικών σημείων στη Γη δεν είναι ακόμη επαρκώς γνωστές, ώστε να επιτρέπουν συγκρίσεις ρολογιών σε αυτό το επίπεδο.

Η μεταφορά του ρολογιού εκτός εργαστηρίου θεωρείται απαραίτητη, ώστε να γίνουν νέες συγκρίσεις και να εξεταστούν πιθανές εφαρμογές στο μέλλον. «Το επόμενο βήμα είναι να πάρουμε το ρολόι εργαστηριακής κλίμακας και να το μετατρέψουμε σε ένα φορητό σύστημα», αναφέρει ο κ. Michael Lee, συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης και διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα του NUS. Οι ερευνητές εκτιμούν πως είναι δυνατό να περιορίσουν το μέγεθός του, χωρίς να επηρεαστεί η ακρίβειά του.