Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Kuantum Teknolojileri Merkezi'ndeki (CQT) bilim insanları, lutesyum elementini kullanan atom saatiyle zaman ölçümünde bugüne kadar ulaşılan en düşük belirsizlik seviyesini elde etti. Nature dergisinde yayımlanan araştırmaya göre saat, geçiş frekansını 19 ondalık basamağa kadar ölçebiliyor.
CQT Baş Araştırmacısı ve NUS Fizik Bölümü Doçenti Murray Barrett, geliştirilen saatin dünyanın en hassas saati olduğundan emin olduklarını söyledi.
LUTESYUM NEDEN TERCİH EDİLDİ?
Atom saatleri, atomlardaki elektronların belirli enerji seviyeleri arasındaki geçişlerini referans alarak zamanı ölçüyor. Sistemde lazer, atomun saat geçişine eşleştiriliyor ve lazer ışığının salınımları zaman ölçümünde kullanılıyor.
NUS ekibinin geliştirdiği sistemde referans olarak lutesyum-176'nın tek bir elektrik yüklü atomu, yani iyonu kullanılıyor. Söz konusu geçiş, 848 nanometre dalga boyundaki lazerle ölçülüyor.
Atom saatlerinin hassasiyetini sıcaklık değişimleri ve manyetik alanlar etkileyebiliyor. Lutesyumun saat geçişinin bu etkilere karşı oldukça dirençli olması ise araştırmacılara daha kararlı bir referans sağlıyor.
Barrett, bu özelliğin saatin çok farklı çevre koşullarında dahi yüksek doğrulukla çalışmasını sağlayabileceğini belirtti.
YILLAR SÜREN ARAŞTIRMA REKORLA SONUÇLANDI
Araştırma ekibi, lutesyumun zaman ölçümü açısından önemli avantajlar sağlayabileceğini düşünerek bu element üzerinde 10 yılı aşkın süre önce çalışmaya başladı.
Lutesyumu çalışan bir atom saatine dönüştürmek için yıllar süren hassas mühendislik çalışmaları yürütüldü ve atomun özellikleri ayrıntılı şekilde ölçüldü.
Bilim insanları ayrıca saat geçişini tanımlamak için "aşırı ince ortalama" adı verilen bir yöntem geliştirdi. Ekip, mevcut bilgiler doğrultusunda zaman ölçümünde lutesyum kullanan tek araştırma grubu olmayı sürdürüyor.
İKİ SAAT 200 SAAT BOYUNCA KARŞILAŞTIRILDI
Araştırmacılar iki ayrı lutesyum saati üreterek performanslarını 200 saat boyunca karşılaştırdı. Korelasyon spektroskopisi adı verilen teknikle gerçekleştirilen karşılaştırmada iki saat, 5,7×10⁻¹⁹ belirsizlik seviyesinde uyum gösterdi.
Bu sonuç, şimdiye kadar bildirilen en hassas saat karşılaştırması olarak kayıtlara geçti. Araştırmacılar, daha fazla ölçüm yapılması halinde belirsizliğin daha da azaltılabileceğini belirtiyor.
NUS Kuantum Teknolojileri Merkezi kıdemli araştırmacısı ve çalışmanın ortak başyazarı Kyle Arnold, bir standardın doğruluğunu test etmenin en güvenilir yollarından birinin iki saati karşılaştırarak sonuçların tekrarlanabilirliğini göstermek olduğunu ifade etti.
Atom saatlerinin ulaştığı hassasiyet, yerçekiminin zaman üzerindeki etkisinin ölçülmesini de mümkün kılıyor. 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, yalnızca milimetre ölçeğindeki yükseklik farklarını bile algılayabiliyor. NUS ekibinin yaptığı karşılaştırmada, aynı masa üzerinde bulunan saatler arasındaki yaklaşık 5 milimetrelik yükseklik farkı çözülebildi.
Araştırmacılar, bu farkın ölçümleri sınırlamaması için iki lutesyum iyonunun göreli yüksekliklerini birbirinden bağımsız şekilde 1 milimetrenin altında hassasiyetle belirledi.
Lutesyum saatinin yerçekimine karşı yüksek hassasiyeti ise yeni bir ölçüm sorununu beraberinde getiriyor. Dünya'nın farklı noktalarındaki yerçekimi farklarının, bu seviyedeki ölçümlerde saatler arasındaki performans farklılıklarından tamamen ayrıştırılması henüz kolay değil.
Buna rağmen araştırma ekibi, saatin hassasiyetinin gelecekte önemli bilimsel uygulamalara kapı aralayabileceğini değerlendiriyor. Barrett, mevcut performans seviyesinin ötesine geçmenin nasıl mümkün olacağını öngörmenin zor olduğunu ifade etti.
SANİYENİN TANIMI DEĞİŞEBİLİR Mİ?
Saniye, 1960'lardan bu yana sezyum atomları üzerinden tanımlanıyor. Sezyum atom saatleri; küresel konumlama sistemleri, iletişim ağları ve ulaşım sistemlerinin senkronizasyonunda kritik rol oynuyor.
Optik atom saatleri ise sezyum saatlerinden çok daha yüksek geçiş frekanslarından yararlanıyor. Aynı zaman aralığında daha fazla salınımın sayılabilmesi, zamanın daha hassas ölçülmesini sağlıyor.
Daha önceki rekorlarda iterbiyum, stronsiyum ve alüminyum gibi elementler kullanılmıştı. NUS ekibi ise lutesyum saatinin bu sistemlerin performansını geride bıraktığını bildiriyor.
Bu gelişmeler, gelecekte zamanın nasıl tanımlanacağı açısından da önem taşıyor. Zaman standartlarından sorumlu uluslararası kuruluş, 2030 veya sonrasında saniyenin yeniden tanımlanması ihtimali kapsamında optik saatlerden elde edilen ölçümleri değerlendiriyor.
Atom saatlerinin yerçekimine karşı hassasiyeti yalnızca zamanı ölçmekle sınırlı kalmıyor. Daha gelişmiş saatler, Dünya'nın farklı bölgelerindeki yerçekimi değişimlerinin izlenmesinde kullanılabilecek.
Bu özellik; yeraltındaki hareketlerin, jeolojik süreçlerin ve diğer fiziksel değişimlerin araştırılmasına katkı sağlayabilir. Aynı teknolojinin temel fizikte henüz yanıtlanmamış bazı soruların araştırılmasında da kullanılması mümkün.
HEDEF SAATİ LABORATUVARDAN ÇIKARMAK
NUS ekibinin bir sonraki hedefi, laboratuvar ortamında çalışan sistemi daha küçük ve taşınabilir hale getirmek.
Çalışmanın ortak başyazarı ve NUS doktora öğrencisi Michael Lee, saatin doğruluğundan ödün vermeden küçültülmesinin hedeflendiğini söyledi.
Taşınabilir hale getirilecek lutesyum saatlerinin laboratuvar dışındaki farklı noktalarda karşılaştırılması, araştırmacılara yeni ölçüm imkanları sunabilir.
Bilim insanları, böylece yalnızca dünyanın en hassas zaman ölçüm sistemlerinden birini geliştirmekle kalmayıp zamanı ve yerçekimini aynı anda çok daha hassas biçimde incelemeye imkan sağlayacak yeni bir teknolojinin önünü açmayı hedefliyor.
