Το πιο λεπτομερές ρολόι στον κόσμο: Ακρίβεια 19 δεκαδικών με τεχνολογία ιόντων αλουμινίου

Το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο δημιουργήθηκε από ερευνητές του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στις ΗΠΑ, βασισμένο σε ένα παγιδευμένο ιόν αλουμινίου. Ανήκει στη νέα γενιά των οπτικών ατομικών ρολογιών και μπορεί να μετράει τον χρόνο με ακρίβεια 19 δεκαδικών ψηφίων.

Οπτικά ρολόγια και τι σημαίνει ακρίβεια

Τα οπτικά ρολόγια αξιολογούνται σε δύο βασικά επίπεδα: ακρίβεια (πόσο κοντά μετρούν τον «πραγματικό» χρόνο – τη συστηματική αβεβαιότητα) και σταθερότητα (το πόσο αποδοτικά μετρούν τον χρόνο – τη στατιστική αβεβαιότητα). Αυτό το νέο ρολόι πετυχαίνει και στους δύο τομείς χάρη σε 20 χρόνια συνεχούς εξέλιξης.

Η ακρίβειά του είναι 41% καλύτερη από το προηγούμενο παγκόσμιο ρεκόρ, ενώ είναι 2,6 φορές πιο σταθερό από κάθε άλλο ρολόι με ιόντα.

Ιδιότητες του ιόντος αλουμινίου και το πλεονέκτημά του

Το ιόν αλουμινίου είναι εξαιρετικά σταθερό και δίνει έναν υψηλής συχνότητας «χτύπο» που υπερτερεί του καισίου, το οποίο σήμερα ορίζει τον επίσημο ορισμό του δευτερολέπτου. Επιπλέον, το ιόν αλουμινίου είναι λιγότερο ευαίσθητο σε περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία και τα μαγνητικά πεδία.

Η πρόκληση: Το αλουμίνιο δεν συνεργάζεται εύκολα

Παρά τις ιδανικές ιδιότητές του, το αλουμίνιο είναι «ντροπαλό», όπως λένε οι ερευνητές: δύσκολα ψύχεται και ελέγχεται με λέιζερ. Η λύση ήρθε μέσω μιας «φιλικής συνεργασίας» με ιόν μαγνησίου, το οποίο μπορεί εύκολα να ελεγχθεί με λέιζερ.

Η κβαντική λογική πίσω από το ρολόι

Αυτό το σύστημα «φίλων» ονομάζεται κβαντική φασματοσκοπία λογικής (quantum logic spectroscopy). Το μαγνήσιο ψύχει και μεταφέρει πληροφορίες για την κατάσταση του ιόντος αλουμινίου, επιτρέποντας την ακριβή μέτρηση του χρόνου. Έτσι προκύπτει το «κβαντικό ρολόι λογικής».

Ανασχεδιασμός της παγίδας ιόντων για μεγαλύτερη ακρίβεια

Ένα από τα εμπόδια ήταν η παγίδα όπου συγκρατούνται τα ιόντα. Προκαλούσε ανεπιθύμητες κινήσεις, τη λεγόμενη υπερβολική μικροκίνηση (excess micromotion), που επηρέαζε τη συχνότητα του ρολογιού. Η λύση ήταν να τοποθετηθεί η παγίδα σε παχύτερο υπόστρωμα διαμαντιού και να τροποποιηθούν οι επιστρώσεις χρυσού στα ηλεκτρόδια για να εξαλειφθούν ηλεκτρικές ανισορροπίες. Αυτές οι τροποποιήσεις μείωσαν τις διαταραχές και βελτίωσαν την απόδοση.

Βελτίωση του συστήματος κενού και εξάλειψη του υδρογόνου

Ένα άλλο πρόβλημα ήταν η διαρροή υδρογόνου από το χαλύβδινο κέλυφος του θαλάμου κενού, το οποίο συγκρούεται με τα ιόντα και διακόπτει τη λειτουργία του ρολογιού. Η ομάδα ανακατασκεύασε τον θάλαμο από τιτάνιο, μειώνοντας το υδρογόνο κατά 150 φορές. Πλέον μπορούν να λειτουργούν το ρολόι επί μέρες χωρίς επαναφόρτωση των ιόντων.

Χρήση ενός από τα σταθερότερα λέιζερ στον κόσμο

Η ομάδα χρειαζόταν επίσης ένα πιο σταθερό λέιζερ για να διεγείρει τα ιόντα. Στην προηγούμενη έκδοση του 2019, απαιτούνταν εβδομάδες για να ξεπεραστούν οι κβαντικές διακυμάνσεις. Η λύση ήρθε από το εργαστήριο του Jun Ye στο JILA (κοινό ινστιτούτο του NIST και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο).

Με χρήση οπτικών ινών, μετέφεραν τη δέσμη λέιζερ 3,6 χιλιόμετρα από το εργαστήριο του Ye στο NIST. Εκεί, η ομάδα της Tara Fortier χρησιμοποίησε μια χτένα συχνοτήτων (frequency comb) για να συγκρίνει το νέο λέιζερ με το υπερσταθερό του Ye.

Από 3 εβδομάδες σε 1,5 μέρα: Άλμα στην ακρίβεια

Η βελτίωση του λέιζερ επέτρεψε στην ομάδα να διεγείρει τα ιόντα για ένα ολόκληρο δευτερόλεπτο, έναντι των 150 χιλιοστών του δευτερολέπτου που μπορούσαν παλαιότερα. Αυτό μείωσε δραστικά τον χρόνο μέτρησης της 19ης δεκαδικής θέσης από τρεις εβδομάδες σε μόλις 1,5 μέρα.

Νέα πρότυπα για το δευτερόλεπτο και πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο

Το νέο ρολόι αποτελεί ορόσημο στην παγκόσμια προσπάθεια επανεπιλογής του ορισμού του δευτερολέπτου με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Παράλληλα, προσφέρει νέες δυνατότητες για έρευνες στη γεωδαισία της Γης και στη θεμελιώδη φυσική – εξετάζοντας ακόμη και το ενδεχόμενο οι σταθερές της φύσης να μην είναι τελικά τόσο σταθερές.

Όπως δήλωσε η Willa Arthur-Dworschack:

«Με αυτήν την πλατφόρμα, μπορούμε να εξερευνήσουμε νέες αρχιτεκτονικές ρολογιών – όπως η ταυτόχρονη χρήση περισσότερων ιόντων και η σύμπλεξή τους – ώστε να ενισχύσουμε ακόμη περισσότερο τις δυνατότητές μας στη μέτρηση».