Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Kuantum Teknolojileri Merkezi'nde (CQT) lutesyum elementinden geliştirilen atom saati, zaman ölçümündeki doğruluk açısından yeni bir ölçüt ortaya koydu.
Nature dergisinde yayımlanan araştırmaya göre saat, geçiş frekansını 19 ondalık basamağa kadar ölçebiliyor ve 1 × 10⁻¹⁹ belirsizlik seviyesine ulaşabiliyor. Bu değer, bugüne kadar herhangi bir optik atom saati için bildirilen en düşük belirsizlik olarak kayıtlara geçti.
CQT Baş Araştırmacısı ve Singapur Ulusal Üniversitesi Fizik Bölümü Doçenti Murray Barrett, mevcut saatin dünyanın en hassas saati olduğundan emin olduğunu söyledi.
LUTESYUM SICAKLIK DEĞİŞİMLERİNE KARŞI DİRENÇLİ
Atom saatleri, bir atomdaki elektronun sabit bir frekansta enerji seviyeleri arasında geçiş yapmasıyla ortaya çıkan atomik geçişi referans alarak zamanı ölçüyor.
Bu sistemde bir lazer, söz konusu saat geçişine uyacak şekilde ayarlanıyor. Lazer ışığının salınımları da tıpkı bir sarkacın hareketi gibi zamanın ölçülmesinde referans oluşturuyor.
CQT tarafından geliştirilen saatte bu referans, geçişi 848 nanometre dalga boyundaki bir lazerle eşleşen lutesyum-176'nın elektrik yüklü tek bir atomundan, yani iyonundan elde ediliyor.
Sıcaklık değişimleri ve manyetik alanlar, atom saatlerinin zaman ölçümünde kullandığı geçiş frekansını etkileyebiliyor. Bu nedenle araştırmacıların, saatin doğruluğunu belirlerken bu etkileri de hesaba katması gerekiyor.
Ancak lutesyumun saat geçişi, sıcaklık değişimleri ve manyetik alanlardan neredeyse hiç etkilenmiyor. Bu özellik, saatin daha geniş çevresel koşullarda istikrarlı bir referans sunmasını sağlıyor.
Barrett, bu özelliklerin çok farklı ortamlarda dahi yüksek doğruluğa ulaşılmasına imkan verdiğini belirtti. Barrett, lutesyum saatinin Dünya üzerinde kaydedilen en sıcak yer olan Ölüm Vadisi'nden Antarktika platosundaki en soğuk bölgeye götürülse bile sabit kalacağını aktardı.
Araştırma ekibi, lutesyumun sahip olduğu özelliklerin onu zaman ölçümü açısından en uygun elementlerden biri haline getirebileceğini düşünerek on yıldan uzun süre önce bu element üzerinde çalışmaya başladı.
Bu ihtimali çalışan bir saate dönüştürmek ise yıllar süren hassas mühendislik çalışmalarını ve atomun özelliklerinin ayrıntılı biçimde ölçülmesini gerektirdi.
Araştırmacılar ayrıca saat geçişini tanımlamak için aşırı ince ortalama olarak adlandırılan bir yöntem geliştirdi. Ekip, bilindiği kadarıyla zaman ölçümünde lutesyum kullanan tek grup olmayı sürdürüyor.
MİLİMETRELİK FARKLAR BİLE SAATİ ETKİLEYEBİLİYOR
Araştırmacılar iki lutesyum saati geliştirdi ve bunların çalışma performansını korelasyon spektroskopisi adı verilen yöntemle 200 saat boyunca karşılaştırdı.
İki saat, 5,7 × 10⁻¹⁹ belirsizlik içinde uyum gösterdi. Bu sonuç, şimdiye kadar bildirilen en hassas saat karşılaştırması olarak kayda geçti. Daha fazla ölçüm yapılmasının bu belirsizlik seviyesini daha da düşürebileceği ifade ediliyor.
NUS Kuantum Teknolojileri Merkezi'nde kıdemli araştırmacı ve çalışmanın ortak başyazarı Kyle Arnold, saati olan bir kişinin saatin kaç olduğunu bildiğine ancak iki saati olan bir kişinin bundan hiçbir zaman tam olarak emin olamadığına ilişkin esprili bir sözü hatırlattı.
Arnold, bu sözün temel olarak bir standardın doğruluğunu sınamanın tek yolunun saatleri karşılaştırmak ve sonuçların tekrarlanabilir olduğunu göstermek olduğunu anlattığını söyledi.
Yerçekimi, zamanın ilerleyişini yavaşlatarak farklı yüksekliklerde bulunan saatlerin biraz farklı hızlarda çalışmasına neden oluyor. 10⁻¹⁹ seviyesinde çalışan optik atom saatleri, bu etkiyi yalnızca milimetre ölçeğindeki yükseklik farklarında bile tespit edebiliyor.
CQT'nin yaptığı karşılaştırma, aynı masa üzerinde bulunan saatler arasındaki 5 milimetrelik yükseklik farkını çözebiliyor. Bu farkın ölçümü sınırlamasını önlemek amacıyla araştırmacılar, iki lutesyum iyonunun birbirine göre yüksekliklerini bağımsız şekilde bir milimetrenin altında ölçtü.
Yerçekimine karşı bu hassasiyet, lutesyum saatinin dünyanın önde gelen diğer atom saatleriyle karşılaştırılmasını da güçleştiriyor. Dünya üzerindeki farklı noktalar arasındaki yerçekimi değişimleri, bu etkilerin saatlerin aynı doğruluk seviyesindeki performans farklılıklarından ayrıştırılmasına yetecek hassasiyette bilinmiyor.
Barrett, gelecekte bu saatin nasıl aşılabileceğini göremediğini ifade etti.
SEZYUMDAN SONRA YENİ BİR DÖNEM
Sezyum atomları, 1960'lardan bu yana saniyenin tanımlanmasında referans olarak kullanılıyor. Sezyum atom saatleri aynı zamanda küresel konumlama sistemlerinin çalışmasına destek olurken iletişim ve ulaşım ağlarının senkronizasyonunda da görev yapıyor.
Optik saatler ise çok daha yüksek geçiş frekanslarından yararlanıyor. Böylece aynı zaman aralığında daha fazla salınımın sayılması mümkün oluyor ve zamanın daha hassas ölçülmesine katkı sağlanıyor.
Daha önceki rekorlarda iterbiyum, stronsiyum ve alüminyum kullanılmıştı. CQT ekibi, geliştirdikleri lutesyum saatinin bu elementlerle çalışan saatlerin performansını aştığını bildiriyor.
Atom saatlerindeki bu gelişmeler sürerken, zaman standartlarından sorumlu uluslararası kuruluş da 2030'da veya sonrasında yapılması beklenen saniyenin yeniden tanımlanması için elde edilen ölçümleri değerlendiriyor.
Saatlerin yerçekimine karşı yüksek hassasiyeti, bu sistemlerin laboratuvarların dışında da kullanılabilmesine imkan sağlayabilir. Bu sayede araştırmacılar Dünya genelindeki yerçekimi değişimlerini takip edebilirken, daha hassas saatler temel fizikte henüz çözülememiş soruların araştırılmasına da katkı sunabilir.
NUS ekibinde doktora öğrencisi ve çalışmanın ortak başyazarı Michael Lee, bir sonraki aşamanın laboratuvar ölçeğindeki saati taşınabilir bir sisteme dönüştürmek amacıyla küçültmek olduğunu söyledi.
Saati laboratuvar dışına taşımak, yeni karşılaştırmalar yapılmasının önünü açacak ve araştırmacıların farklı uygulama alanlarını incelemesine imkan tanıyacak. Ekip, saatin doğruluğundan taviz vermeden daha küçük bir yapıya dönüştürülebileceğini öngörüyor.
