Zamanı ölçmede yeni rekor: Dünyanın en hassas saati geliştirildi

Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Kuantum Teknolojileri Merkezi'nde (CQT) çalışan araştırmacılar, lutesyum-176 iyonunu kullanan yeni bir atom saati geliştirdi. Nature dergisinde yayımlanan araştırmaya göre sistem, saat geçiş frekansını 19 ondalık basamağa kadar ölçerken 1×10⁻¹⁹ seviyesinde belirsizliğe ulaştı.

Araştırmacılar, elde edilen değerin bugüne kadar bir optik atom saati için bildirilen en düşük belirsizlik olduğunu belirtti. CQT Baş Araştırmacısı ve NUS Fizik Bölümü Doçenti Murray Barrett, geliştirilen sistemin dünyanın en hassas saati olduğunu ifade etti.

Lutesyum neden kullanıldı?

Atom saatleri, atomların belirli enerji seviyeleri arasındaki geçişlerini referans alarak zamanı ölçüyor. NUS ekibinin sisteminde referans olarak lutesyum-176'nın tek bir elektrik yüklü atomu, yani iyonu kullanıldı. Ölçüm, 848 nanometre dalga boyundaki lazer aracılığıyla gerçekleştirildi.

Atom saatlerinin performansı sıcaklık değişimleri ve manyetik alanlardan etkilenebiliyor. Lutesyumun saat geçişinin bu etkilere karşı daha dirençli olması ise araştırmacılara daha kararlı bir referans sağlıyor.

Ekip, lutesyumun zaman ölçümündeki potansiyeli üzerinde 10 yılı aşkın süredir çalışıyor. Sistemin geliştirilmesi, elementin özelliklerinin ayrıntılı biçimde ölçülmesini ve hassas mühendislik çalışmalarını gerektirdi.

İki saat 200 saat boyunca karşılaştırıldı

Araştırmacılar geliştirdikleri sistemden iki ayrı saat üreterek performanslarını 200 saat boyunca karşılaştırdı. Korelasyon spektroskopisi yöntemiyle yapılan karşılaştırmada iki saat, 5,7×10⁻¹⁹ belirsizlik seviyesinde uyum gösterdi.

Araştırmacılara göre bu sonuç, şimdiye kadar gerçekleştirilen en hassas saat karşılaştırması oldu. Daha fazla ölçüm yapılması halinde belirsizlik seviyesinin daha da düşürülebileceği belirtildi.

Milimetrelik yükseklik farkını ölçebiliyor

Atom saatlerinin ulaştığı hassasiyet, yerçekiminin zaman üzerindeki etkisinin de ölçülmesine imkan sağlıyor. Einstein'ın genel görelilik kuramına göre yerçekimi, zamanın farklı hızlarda ilerlemesine neden oluyor. Bu nedenle farklı yüksekliklerde bulunan saatler arasında çok küçük zaman farkları oluşuyor.

10⁻¹⁹ seviyesinde çalışan optik atom saatleri, milimetre ölçeğindeki yükseklik farklarını dahi tespit edebiliyor. NUS ekibinin karşılaştırmasında aynı masa üzerinde bulunan iki saat arasındaki yaklaşık 5 milimetrelik yükseklik farkı ölçülebildi.

Saniyenin tanımı değişebilir

Saniye, 1960'lardan bu yana sezyum atomları üzerinden tanımlanıyor. Sezyum atom saatleri küresel konumlama sistemleri, iletişim ağları ve ulaşım gibi birçok alanda senkronizasyon için kullanılıyor.

Optik atom saatleri ise sezyum saatlerinden çok daha yüksek frekanslı geçişlerden yararlanarak zamanı daha hassas ölçebiliyor. İterbiyum, stronsiyum ve alüminyum gibi elementlerin kullanıldığı önceki çalışmaların ardından lutesyum da yüksek hassasiyetli saatler için öne çıkan elementler arasına girdi.

Bu gelişmeler, gelecekte saniyenin yeniden tanımlanması tartışmalarında da önem taşıyor. Uluslararası zaman standartlarından sorumlu kuruluşlar, 2030 ve sonrasında saniyenin yeniden tanımlanması ihtimali kapsamında optik saatlerden elde edilen ölçümleri değerlendiriyor.

Deprem ve yeraltı hareketlerinin araştırılmasında kullanılabilir

Atom saatlerinin yerçekimine karşı hassasiyeti, teknolojinin yalnızca zaman ölçümüyle sınırlı kalmamasını sağlıyor. Daha gelişmiş sistemlerin, Dünya'nın farklı bölgelerindeki yerçekimi değişimlerini izlemek için kullanılması hedefleniyor.

Bu teknolojinin yeraltındaki hareketlerin, jeolojik süreçlerin ve diğer fiziksel değişimlerin araştırılmasına katkı sağlayabileceği belirtiliyor. Ayrıca temel fizikte henüz yanıtlanmamış bazı soruların incelenmesinde de kullanılabileceği değerlendiriliyor.

Hedef daha küçük ve taşınabilir bir saat

NUS ekibinin bir sonraki hedefi, laboratuvarda çalışan lutesyum saatini doğruluğundan ödün vermeden daha küçük ve taşınabilir hale getirmek.

Araştırmacılar, taşınabilir lutesyum saatlerinin farklı noktalarda karşılaştırılmasının yeni ölçüm imkanları sağlayacağını belirtiyor. Böylece yüksek hassasiyetli saat teknolojisinin laboratuvarların dışına taşınması ve zaman ile yerçekiminin daha hassas biçimde incelenmesi hedefleniyor.