Wyobraź sobie urządzenie tak precyzyjne, że potrzebowałoby dłużej niż trwa istnienie wszechświata, aby spóźnić się lub przyspieszyć o zaledwie sekundę. Brzmi jak fantastyka naukowa? Badacze z National Institute of Standards and Technology właśnie to osiągnęli. Po dwóch dekadach żmudnych prac i ulepszeń udało im się stworzyć coś, co może zmienić nie tylko sposób mierzenia czasu, ale także nasze rozumienie fundamentalnych praw fizyki. To opowieść o niezwykłym połączeniu cierpliwości i naukowej precyzji.
Ten zegar jest tak dokładny, że nie spóźni się przez miliardy lat
Nowy optyczny zegar atomowy z jonem aluminium osiągnął ułamkową niepewność częstotliwości na poziomie 5,5 × 10⁻¹⁹. W praktyce oznacza to, że jego dokładność jest tak ekstremalna, iż potrzebowałby dłuższego czasu niż cały wiek wszechświata, aby odchylić się o pojedynczą sekundę. Parametry techniczne urządzenia robią wrażenie nawet na tle innych zaawansowanych instrumentów naukowych. Zegar jest o 41% dokładniejszy niż poprzedni rekordzista i jednocześnie 2,6 razy bardziej stabilny niż jakikolwiek inny zegar jonowy. Jego ułamkowa stabilność częstotliwości wynosi 3,5 × 10⁻¹⁶ na pierwiastek z tau sekund. Taka precyzja przekłada się na konkretne korzyści pomiarowe – zegar osiąga dokładność do 19. miejsca po przecinku w ciągu zaledwie 36 godzin, podczas gdy wcześniejsze konstrukcje potrzebowały na to trzy tygodnie.
Sercem tego niezwykłego mechanizmu jest pojedynczy uwięziony jon aluminium (27Al⁺), wykorzystujący zjawisko zwane spektroskopią logiki kwantowej. System działa na zasadzie tandemowej współpracy – jon aluminium pełni funkcję głównego elementu zegarowego, podczas gdy jon magnezu (25Mg⁺) służy jako pomocnik. Aluminium okazało się znakomitym materiałem do precyzyjnego pomiaru czasu dzięki niezwykle stabilnym oscylacjom atomowym, które są odporne na zakłócenia zewnętrzne takie jak zmiany temperatury czy pola magnetycznego. Wyzwaniem technicznym pozostawała jednak trudność w bezpośredniej kontroli jonów aluminium za pomocą laserów.
Czytaj też: Rewolucja przemysłowa to przy tym psikus. Nawet nie wiesz, w jak ważnych czasach żyjesz
Właśnie tu do akcji wkracza jon magnezu, pełniący rolę pośrednika. Umożliwia on chłodzenie sympatyczne jonu aluminium oraz odczyt jego stanu kwantowego. Ten nietypowy „system partnerski” pozwala naukowcom wykorzystać zalety aluminium, jednocześnie omijając jego techniczne ograniczenia. Cała konstrukcja opiera się na uwięzieniu obu jonów w pułapce elektromagnetycznej, gdzie mogą być precyzyjnie kontrolowane i monitorowane przez zespół laserów i detektorów.
Droga do tego rekordu zajęła dokładnie 20 lat i wymagała systematycznego doskonalenia każdego elementu systemu
Przełomem okazało się wydłużenie czasu sondy Rabiego do pełnej sekundy – wcześniej badacze mogli obserwować jony przez zaledwie 150 milisekund. Ten skok wydajności stał się możliwy dzięki wykorzystaniu ultrastabilnego lasera z laboratorium Jun Ye w JILA. Stabilność tego lasera jest przesyłana do zegara NIST przez 3,6-kilometrowe łącze światłowodowe, co zmniejszyło niestabilność systemu trzykrotnie w porównaniu do wcześniejszych wersji.
Równie istotne okazało się przeprojektowanie pułapki jonowej w celu redukcji mikroruchów, które mogły wpływać na precyzję pomiarów. Dodatkowo zespół zbudował całkowicie nową komorę próżniową z tytanu, co przyniosło spektakularny efekt – ilość wodoru w tle spadła aż 150-krotnie. Te techniczne ulepszenia miały wymierny wpływ praktyczny. Zegar może teraz działać przez całe dni bez konieczności ponownego ładowania jonów, a czas potrzebny do osiągnięcia maksymalnej precyzji skrócił się znacząco.
Ultraprecyzyjny zegar NIST to nie tylko technologiczny ewenement, ale narzędzie, które może zmienić nasze rozumienie wszechświata
Osiągnięcie NIST ma ogromne znaczenie dla nauki. Może pomóc w redefinicji sekundy z jeszcze większą precyzją, a także otworzyć drzwi do nowych możliwości w geologii, nauce o Ziemi i fizyce fundamentalnej. Jednym z planowanych zastosowań jest sprawdzenie, czy stałe przyrody, które uważamy za niezmienne, rzeczywiście takie są. To osiągnięcie pokazuje, że nauka wciąż ma przed sobą wiele tajemnic do odkrycia, a granice, które uważaliśmy za ostateczne, są tylko kolejnymi punktami na drodze do lepszego zrozumienia świata.
Czytaj też: Jeszcze tylko 3,5 roku do przelotu Apophis. Takie wydarzenie w pobliżu Ziemi zdarza się raz na tysiące lat
Badacze nie zamierzają spocząć na laurach. Planują eksplorację nowych architektur zegarów, w tym zwiększanie liczby jonów zegarowych, a nawet ich kwantowe splątywanie. Takie rozwiązania mogą jeszcze bardziej poprawić możliwości pomiarowe i otworzyć nowe obszary badań naukowych.