علمی، پژوهشی و فناوری

این ساعت اتمی جدید دقتی بی‌سابقه ارائه می‌کند

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : اندازه‌گیری زمان وارد یک دوره جدید شده است. نسل بعدی ساعت‌های اتمی به‌جای استفاده از امواج مایکروویو، از نور لیزر برای ردیابی زمان استفاده می‌کنند، نوری که حدود 100,000 برابر سریع‌تر از استانداردهای کنونی اندازه‌گیری زمان، نوسان دارد.

دانشمندان مؤسسه ملی مترولوژی آلمان (PTB) به تازگی این ساعت اتمی بسیار دقیق را ساخته‌اند. این ساعت به قدری دقیق است که اگر برای یک کوینتیلیون (یعنی یک میلیون تریلیون) ثانیه کار کند، تنها 2.5 ثانیه خطا خواهد داشت. به زبان ساده‌تر، این ساعت می‌تواند زمان را با دقت بسیار بالایی اندازه‌گیری کند و احتمال خطای آن بسیار کم است. این نوع دقت برای کاربردهای علمی و فناوری‌های پیشرفته بسیار اهمیت دارد.

برای درک بهتر این دقت فوق‌العاده تصور کنید که اگر این ساعت از زمان انفجار بزرگ (بیگ بنگ)، که حدود 13.8 میلیارد سال پیش رخ داده است، شروع به کار کرده بود، در این مدت تنها یک ثانیه از دست می‌داد. این سطح از دقت، پیشرفتی چشمگیر نسبت به ساعت‌های اتمی موجود است و ما را به بازتعریف نحوه اندازه‌گیری زمان نزدیک‌تر می‌کند.

ساعت‌های اتمی فعلی که از اتم‌های سزیم و امواج مایکروویو استفاده می‌کنند، به‌ عنوان استاندارد جهانی زمان برای دهه‌ها شناخته شده‌اند. اما نسل جدیدی از ساعت‌ها که به‌جای مایکروویو از نور لیزر استفاده می‌کنند، دقتی تا 100 برابر بهتر از این استانداردهای قدیمی کسب کرده‌اند. آخرین دستاورد از PTB این مرزها را حتی بیشتر شکسته است.

در قلب این نوآوری، طراحی منحصربه‌فردی استفاده شده است که از کریستال کولومب (Coulomb) با گونه‌های مختلط بهره می‌برد. این کریستال، چینش دقیقی از اتم‌های مختلفی است که بار الکتریکی دارند (یون‌ها) و توسط میدان‌های الکتریکی در جای خود ثابت نگه‌داشته می‌شوند.

این ساعت اتمی جدید با استفاده از لیزر به دقت بی‌سابقه‌ای دست پیدا کرد
جوناس کلر، یکی از فیزیک‌دانان PTB توضیح داد: «ما از یون‌های ایندیوم استفاده می‌کنیم، چرا که ویژگی‌های مطلوبی برای دستیابی به دقت بالا دارند. برای خنک‌سازی کارآمد، یون‌های ایتربیوم نیز به کریستال افزوده می‌شوند.»

ساعت‌های اتمی مبتنی ‌بر یون‌های سنتی، با محدودیت‌های قابل توجهی روبه‌رو هستند. این ساعت‌ها اغلب فقط از یک یون استفاده می‌کنند، که برای دستیابی به دقت بالا نیاز به دوره‌های اندازه‌گیری طولانی‌مدت، حتی تا دو هفته دارند. برای رسیدن به دقت نظری حداکثری، این ساعت‌ها باید بیش از سه سال کار کنند. اما ساعت جدید این چالش را با استفاده هم‌زمان از چندین یون حل کرده و زمان مورد نیاز برای اندازه‌گیری دقیق را به‌ طور چشمگیری کاهش داده است.

ساخت این سیستم چند یونی به حل چندین چالش مهندسی پیچیده نیاز داشت. تیم تحقیقاتی به رهبری تانیا مهل‌استابلر، تله‌های یونی ویژه‌ای توسعه دادند، که شرایط دقیق را برای چندین یون به‌ جای فقط یک یون حفظ می‌کنند. همچنین آنها روش‌های جدیدی برای جای‌گذاری یون‌های خنک‌کننده درون ساختار کریستال ایجاد کردند تا عملکرد بهینه را تضمین نمایند.

در آزمایش‌هایی که این ساعت در مقایسه با سایر ساعت‌های اتمی پیشرفته، از جمله ساعت‌های مبتنی ‌بر استرانسیوم و نوع دیگری از ساعت‌های ایتربیوم انجام داد، ساعت جدید پایداری بی‌نظیری داشت. این مقایسه‌ها که حدود یک هفته طول کشید، یک سری از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های نسبت فرکانس ثبت‌شده را به‌دست آورد.

هنگامی که این ساعت در برابر ساعت مبتنی ‌بر ایتربیوم آزمایش شد، تنها 4.4 ثانیه در کوینتیلیون خطا داشت، که یک نقطه عطف مهم در مسیر بازتعریف واحد بنیادین زمان بود.

پیامدهای این پیشرفت فراتر از اندازه‌گیری بهتر زمان است. این ساعت‌های فوق‌ دقیق می‌توانند امکان انجام آزمایش‌های جدید نظریه‌های بنیادی فیزیک و بهبود درک ما از جهان را فراهم کنند.

کاربردهای عملی‌تر چنین ساعت‌هایی می‌تواند شامل بهبود سیستم‌های ناوبری جهانی و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر از شکل و میدان گرانشی زمین باشد، که به‌ عنوان تراز زمان‌سنجی شناخته می‌شود. در این تکنیک می‌توانند تفاوت‌های جزئی در تأثیر گرانش بر زمان در ارتفاعات مختلف مورد اندازه‌گیری قرار گیرند.

طراحی این ساعت نوآورانه نشان می‌دهد که کاربردهای آینده آن بسیار گسترده‌تر خواهند بود. این فناوری ممکن است برای کار با انواع مختلف یون‌ها تطبیق داده شود و به رویکردهای جدیدی برای اندازه‌گیری دقیق، از جمله استفاده از اثرات کوانتومی در چندین اتم یا اندازه‌گیری‌های متوالی از گروه‌های مختلف اتم‌ها، دست پیدا کند.