زمان‌سنجی همواره بخشی اساسی از تمدن بشری بوده است. از ساعت‌های آفتابی باستانی تا ساعت‌های مکانیکی و ساعت‌های مدرن نوری اتمی، هر نوآوری دقت بیشتری را به ارمغان آورده است.
اکنون یک پیشرفت انقلابی در ساعت‌های اتمی در حال شکل‌گیری است که نحوه اندازه‌گیری زمان را بازتعریف خواهد کرد. نسل بعدی ساعت‌های نوری از فرکانس‌های لیزری استفاده می‌کنند که 100,000 برابر سریع‌تر از فرکانس‌های مایکروویو ساعت‌های سزیمی کنونی “تیک” می‌زند.
این افزایش چشمگیر در فرکانس، دقتی بی‌سابقه را ممکن می‌سازد. برخی از ساعت‌های نوری هم‌اکنون از نظر دقت تا 100 برابر بهتر از ساعت‌های سزیمی عمل می‌کنند.
ساعت‌های نوری: آینده اندازه‌گیری زمان
با ادامه پیشرفت این ساعت‌ها، آن‌ها به زودی استاندارد جهانی تعریف “ثانیه” در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) خواهند شد.
اما پیش از آن، این ساعت‌ها باید قابلیت اطمینان خود را از طریق آزمایش‌های تکراری و مقایسه‌های جهانی اثبات کنند.
مؤسسه فیزیک-فنی فدرال آلمان (PTB)، موسسه ملی مترولوژی آلمان، پیشرو در این تحقیقات است.
دانشمندان این موسسه ساعت‌های نوری مختلفی از جمله ساعت‌های تک یونی و ساعت‌های شبکه نوری توسعه داده‌اند که مرزهای دقت را جابه‌جا کرده‌اند.
دستیابی به دقت بی‌سابقه در یک نوع جدید از ساعت یونی
یک دستاورد اخیر در PTB نشان‌دهنده دقتی رکوردشکن در نوع جدیدی از ساعت کریستالی یونی است. این ساعت می‌تواند زمان و فرکانس را 1,000 برابر دقیق‌تر از ساعت‌های سزیمی کنونی اندازه‌گیری کند. نتایج این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
ساعت‌های نوری چگونه کار می‌کنند؟
ساعت‌های اتمی نوری از نور لیزر برای تحریک اتم‌ها استفاده می‌کنند. اگر لیزر روی فرکانس مناسب تنظیم شود، اتم‌ها بین حالت‌های کوانتومی انتقال می‌کنند.
برای تضمین دقت، این اتم‌ها باید از تأثیرات خارجی محافظت شوند و هرگونه اختلال باقی‌مانده با دقت اندازه‌گیری شود.
ساعت‌های یونی برای این منظور بسیار مناسب هستند. در این ساعت‌ها، یون‌ها با میدان‌های الکتریکی ثابت نگه داشته می‌شوند و در یک محیط خلأ تا فاصله چند نانومتری ایزوله می‌شوند.
به لطف این سطح کنترل، ساعت‌های یونی توانسته‌اند به دقت سیستماتیک فراتر از مکان اعشار هجدهم دست یابند.
دانشمندان اشاره کرده‌اند:
“چنین ساعتی، اگر از زمان بیگ‌بنگ تاکنون کار می‌کرد، در نهایت تنها یک ثانیه را از دست می‌داد.”
رویکرد سریع‌تر با ساعت‌های کریستالی یونی
تاکنون این ساعت‌ها با یک یون کار می‌کردند و به دوره‌های اندازه‌گیری طولانی – تا دو هفته – برای دستیابی به این دقت نیاز داشتند. برای بهره‌برداری کامل از پتانسیل آن‌ها، به دوره‌های اندازه‌گیری بیش از سه سال نیاز بود.
ساعت جدید کریستالی یونی نوری این زمان را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. در این روش به جای یک یون، چند یون از انواع مختلف با هم به شکل یک کریستال ساختاریافته به دام می‌افتند. این روش، کارایی اندازه‌گیری را افزایش داده و نقاط قوت یون‌های مختلف را ترکیب می‌کند.
به گفته یوناس کلر، فیزیکدان PTB:
“ما از یون‌های ایندیوم به دلیل خواص مطلوبشان برای دقت بالا استفاده می‌کنیم. برای خنک‌سازی مؤثر، یون‌های یتربیم را به کریستال اضافه می‌کنیم.”
یکی از چالش‌های بزرگ طراحی یک دام یونی بود که شرایط دقیق برای یک کریستال بزرگ‌تر را فراهم کند. چالش دیگر توسعه روش‌هایی برای موقعیت‌دهی دقیق یون‌های خنک‌کننده در داخل کریستال بود.
گروه تحقیقاتی به رهبری تانیا مهل‌اشتویبلر توانست این موانع را با راه‌حل‌های نوآورانه برطرف کند و به دقتی نزدیک به هجدهمین مکان اعشار دست یابد.
ساعت‌های نوری در مقایسه‌های جهانی
برای اطمینان از عملکرد دقیق ساعت کریستالی یونی جدید، محققان PTB عملکرد آن را با سایر ساعت‌های بسیار دقیق مقایسه کردند.
این مقایسه‌ها شامل دو ساعت نوری (ساعت یونی یتربیم و ساعت شبکه‌ای استرانسیم) و یک ساعت چشمه سزیمی بود که هم‌اکنون برای تعریف ثانیه در SI استفاده می‌شود.
یکی از مهم‌ترین مقایسه‌ها بین ساعت یونی ایندیوم (بخشی از سیستم ساعت کریستالی یونی جدید) و ساعت یونی یتربیم انجام شد.
محققان نسبت فرکانس بین این دو ساعت را با دقتی بی‌نهایت بالا اندازه‌گیری کردند. سطح عدم قطعیت این اندازه‌گیری حتی کمتر از حد آستانه سختگیرانه مورد نیاز برای استانداردهای بین‌المللی زمان‌سنجی بود.
این دستاورد یک گام بزرگ به سوی بازتعریف رسمی “ثانیه” است. این نشان می‌دهد که ساعت کریستالی یونی به اندازه کافی قابل اعتماد و دقیق است تا در آینده اندازه‌گیری زمان جهانی مشارکت داشته باشد.
آینده ساعت‌های یونی
این پیشرفت راه را برای نسل جدیدی از ساعت‌های یونی نوری بسیار پایدار و دقیق هموار می‌کند. همین رویکرد می‌تواند برای یون‌های دیگر نیز اعمال شود و امکان طراحی ساعت‌های پیشرفته‌تر را فراهم آورد.
نوآوری‌های آینده ممکن است شامل استفاده از حالات چندبدنه‌ای کوانتومی یا بازجویی متوالی چند مجموعه باشد.
بخشی از این پژوهش توسط بنیاد تحقیقات آلمان (DFG) از طریق خوشه تعالی Quantum Frontiers و مرکز تحقیقاتی DQ-mat تأمین مالی شده است.
با این پیشرفت‌ها، آینده زمان‌سنجی دقیق‌تر از همیشه خواهد بود. ساعت‌های نوری در آستانه بازتعریف نحوه اندازه‌گیری زمان و ارتقای دقت به سطحی کاملاً جدید هستند.
این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
