Πάρτε ένα δευτερόλεπτο και μετατρέψτε το σε τρισεκατομμύρια στιγμές. Μετρήστε την καθεμία. Με αυτή την ακρίβεια ένα ατομικό ρολόι στο Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών (CQT) της Σιγκαπούρης καταγράφει την ώρα – και με ακρίβεια που καταγράφει ρεκόρ, σύμφωνα με αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν στο Nature στις 23 Σεπτεμβρίου.

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

Οι ερευνητές βασίζουν τον ισχυρισμό τους σε μετρήσεις που δείχνουν ότι το ατομικό τους ρολόι, κατασκευασμένο από το στοιχείο λουτήτιο, ξεπερνά σε απόδοση τα προηγούμενα ρεκόρ για κατασκευές από διαφορετικά στοιχεία.

Η ομάδα CQT άρχισε να εργάζεται με το λουτήτιο πριν από μια δεκαετία και παραπάνω, έχοντας την αίσθηση ότι το στοιχείο αυτό είχε τις κατάλληλες ιδιότητες για να ενταχθεί στο σύνολο των κορυφαίων ρολογιών. Η συγκεκριμένη ομάδα είναι η μοναδική που εργάζεται με αυτό το στοιχείο για τη χρονομέτρηση μέχρι στιγμής.

Αυτή τη φορά η ερευνητική ομάδα μέτρησε τη συχνότητα του ρολογιού λουτητίου με ακρίβεια 19 δεκαδικών ψηφίων, αναφέροντας αβεβαιότητα 1 x 10-19, η οποία είναι η χαμηλότερη που έχει αναφερθεί για οποιοδήποτε οπτικό ατομικό ρολόι μέχρι σήμερα. Κατασκεύασαν επίσης δύο ρολόγια και συνέκριναν το τικ-τακ τους μεταξύ τους. Τα ρολόγια συμφώνησαν σε αβεβαιότητα 5,7 x 10-19 , η οποία είναι η πιο ακριβής σύγκριση ρολογιών που έχει γίνει ποτέ. Περισσότερες μετρήσεις θα μπορούσαν να μειώσουν περαιτέρω αυτήν την αβεβαιότητα.

Το πλεονέκτημα του λουτητίου

Η ισχυρή απόδοση του λουτητίου οφείλεται στις ιδιότητες του: η μετάβαση σε ρολόι σπάνια επηρεάζεται από τις αλλαγές στη θερμοκρασία ή το μαγνητικό πεδίο. Σε άλλα στοιχεία, αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να μεταβάλλουν έστω και αμυδρά τη συχνότητα της μετάβασης στο ρολόι.

«Στο μέλλον, απλά δεν βλέπω πώς αυτό το ρολόι μπορεί να ξεπεραστεί σε ακρίβεια», λέει ο Αναπληρωτής Καθηγητής Barrett. Η ομάδα του έχει κάνει πάνω από μια δεκαετία μηχανικής ακριβείας στη ρύθμιση του ατομικού ρολογιού τους, δοκιμάζοντας διαφορετικές ιδιότητες του ατόμου. Αυτή η εργασία περιελάμβανε την επινόηση ενός σχήματος που ονομάζεται «υπερλεπτός μέσος όρος» για να ορίσει 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 είναι καλύτερα από ένα

Η αυτοπεποίθηση της ομάδας ενισχύεται από τη σύγκριση ρολογιών, η οποία πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία συσχέτισης σε διάστημα 200 ωρών μέτρησης.

Κάθε ρολόι λουτεσίου αποτελείται από ένα μόνο φορτισμένο ιόν 176 Lu+ που έχει μια μετάβαση ρολογιού που ταιριάζει με ένα λέιζερ με μήκος κύματος 848 νανόμετρα.

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

Ιδανικά, η ομάδα θα συνέκρινε επίσης το ρολόι λουτησίου της με τα άλλα καλύτερα ατομικά ρολόγια στον κόσμο, αλλά υπάρχει μια πρόκληση. Τα οπτικά ατομικά ρολόγια στο επίπεδο 10-19 είναι τόσο ακριβή που μπορούν να αισθανθούν την επιβράδυνση του χρόνου από τη βαρύτητα σε διαφορές ύψους χιλιοστών. Η μέτρηση σύγκρισης της ομάδας CQT θα μπορούσε να επιλύσει μια διαφορά ύψους 5 mm μεταξύ των ρολογιών τους στο ίδιο τραπέζι. Για να διασφαλίσουν ότι αυτό δεν θα περιόριζε τη μέτρησή τους, μέτρησαν ανεξάρτητα τη διαφορά ύψους των ιόντων Lu+ κάτω από το επίπεδο του χιλιοστού. Οι διαφορές στη βαρύτητα μεταξύ διαφορετικών θέσεων στη Γη δεν είναι ακόμη αρκετά γνωστές για να συγκριθούν ρολόγια σε αυτό το επίπεδο.

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 μετατρέψουμε σε ένα φορητό σύστημα», λέει ο κ. Michael Lee, συν-πρώτος συγγραφέας της εργασίας και διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα NUS. Οι ερευνητές αναμένουν ότι μπορούν να κάνουν το ρολόι τους μικρότερο χωρίς να διακυβεύεται η ακρίβεια.

(photo: pixabay)