Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Kuantum Teknolojileri Merkezinde (CQT) görev yapan bilim insanları, lutesyum elementini kullanarak zaman tutma doğruluğunda yeni bir dünya rekoruna imza attı. Nature dergisinde yayımlanan araştırma sonuçları, geliştirilen lutesyum atom saatinin geçiş frekansını 19 ondalık basamağa kadar ölçtüğünü ve 1 × 10 üzeri eksi 19 belirsizlik seviyesine ulaştığını ortaya koydu. Bu oran, bugüne kadar herhangi bir optik atom saati için kaydedilmiş en düşük belirsizlik değeri oldu.
CQT Baş Araştırmacısı ve Singapur Ulusal Üniversitesi Fizik Bölümü Doçenti Murray Barrett, ellerindeki sistemin şu an dünyanın en hassas saati olduğunu belirterek gelecekte bu performansın nasıl aşılabileceğini öngöremediğini aktardı.
LUTESYUMUN SICAKLIK VE ELEKTROMANYETİK DİRENÇ ÜSTÜNLÜĞÜ
Atom saatleri, atomik elektronların sabit bir frekansta enerji seviyesi değiştirmesi esasına kilitlenerek zamanı ölçüyor. Lazer ışığının salınımları, saat geçişiyle eşleşerek bir sarkaç gibi zamanı işaretliyor. CQT ekibinin geliştirdiği saatte bu referans, 848 nanometre dalga boyundaki lazerle eşleşen lutesyum-176'nın elektrik yüklü tek bir atomundan (iyonundan) elde ediliyor.
Çevre koşullarındaki sıcaklık değişimleri ve manyetik alanlar atom saatlerinin frekansını etkileyebilse de lutesyum elementi bu faktörlerden neredeyse hiç etkilenmiyor. Bu dayanıklılık, saatin son derece farklı çevre şartlarında bile sabit kalmasını sağlıyor. Doç. Dr. Barrett, lutesyum saatinin Ölüm Vadisi'nin aşırı sıcaklığından Antarktika platosunun en dondurucu ortamına kadar her koşulda doğruluğunu koruyacağını vurguladı.
Ekip, lutesyumu zaman tutma potansiyeli nedeniyle on yılı aşkın süredir inceliyor. Çalışan bir saate dönüştürülmesi yıllar süren hassas mühendislik gerektirirken, araştırmacılar saat geçişini tanımlayabilmek için "aşırı ince ortalama" adlı özel bir yöntem geliştirdi. Bu ekip, dünyada lutesyum ile zaman tutma sistemleri üzerine çalışan tek grup olma özelliğini koruyor.
REKOR HASSASİYETTE KARŞILAŞTIRMA VE YERÇEKİMİ ETKİSİ
Aynı laboratuvarda iki farklı lutesyum saati üreten araştırmacılar, "korelasyon spektroskopisi" yöntemiyle 200 saat boyunca iki saatin işleyişini kıyasladı. Saatler 5,7 × 10⁻¹⁹ belirsizlik sınırları içinde birbiriyle tam uyum sağladı. Bu değer, bugüne dek gerçekleştirilen en hassas saat karşılaştırması olarak kayıtlara geçti.
CQT kıdemli araştırmacısı ve makalenin ortak başyazarı Kyle Arnold, bir standardın doğruluğunu kanıtlamanın tek yolunun saatleri karşılaştırıp tekrarlanabilirliği göstermek olduğunu ifade etti.
Genel görelilik uyarınca yerçekimi zamanın akışını yavaşlattığı için farklı yüksekliklerdeki saatler farklı hızlarda çalışıyor. 10⁻¹⁹ hassasiyet seviyesindeki saatler, masadaki 5 milimetrelik yükseklik farkını bile algılayabiliyor. Araştırmacılar bu sapmayı engellemek amacıyla iki lutesyum iyonunun bağıl yüksekliklerini bir milimetrenin altında bir hassasiyetle bağımsız olarak ölçtü. Yüksek hassasiyet, saatin küresel ölçekteki diğer atom saatleriyle karşılaştırılmasını zorlaştırıyor; çünkü Dünya üzerindeki konumlar arasındaki yerçekimi farkları bu belirsizlik seviyesini ayrıştıracak düzeyde henüz bilinmiyor.
SEZYUM SANİYESİNİN YENİDEN TANIMLANMASI VE GELECEK PLANLARI
1960'lardan bu yana küresel konumlama (GPS), iletişim ve ulaşım ağlarında saniyenin tanımı sezyum atom saatlerine dayanıyor. Ancak daha yüksek geçiş frekanslarına sahip optik saatler, aynı süre aralığında daha fazla salınım vererek zamanı daha kesin ölçebiliyor. CQT ekibinin ürettiği lutesyum saati; daha önce rekoru elinde tutan iterbiyum, stronsiyum ve alüminyum tabanlı saatlerin performansını geride bıraktı. Uluslararası zaman standartları kuruluşları, bu gelişmeler ışığında 2030 yılı veya sonrasında saniyenin resmi tanımını değiştirmeyi değerlendiriyor.
Lutesyum saatlerinin yerçekimine karşı olan hassasiyetinin laboratuvar dışında da fayda sağlaması, küresel yerçekimi değişimlerinin haritalandırılmasına ve temel fizikteki çözülmemiş problemlerin incelenmesine katkı sunması bekleniyor.
Makalenin ortak başyazarı ve NUS doktora öğrencisi Michael Lee, bir sonraki hedeflerinin laboratuvar boyutundaki bu sistemi taşınabilir bir boyuta küçültmek olduğunu açıkladı. Ekip, saati doğruluğundan ödün vermeden küçülterek sahanın kullanımına sunmayı öngörüyor.
