Bilim insanlarının lutesyum atomuyla geliştirdiği yeni saat, zamanı öylesine hassas ölçüyor ki aynı masa üzerindeki 5 milimetrelik yükseklik farkı bile sonuçlara yansıyabiliyor.
Saat denildiğinde akla saniyeler, dakikalar ve saatler geliyor. Singapur'da geliştirilen yeni atom saatinde ise ölçüm artık milimetrelerin bile hesaba katıldığı bir hassasiyete ulaşmış durumda.
Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) bünyesindeki Kuantum Teknolojileri Merkezi'nde (CQT) çalışan bilim insanları, lutesyum elementini kullanarak yeni bir optik atom saati geliştirdi. Nature dergisinde yayımlanan sonuçlara göre sistem, zaman ölçümünde şimdiye kadar ulaşılan en düşük belirsizlik değerlerinden birini ortaya koydu.
Saatin geçiş frekansı 19 ondalık basamağa kadar ölçülürken belirsizlik 1 × 10⁻¹⁹ seviyesine indirildi. Araştırmacılar bunun bugüne kadar herhangi bir optik atom saati için bildirilen en düşük değer olduğunu belirtiyor.
CQT Baş Araştırmacısı ve NUS Fizik Bölümü Doçenti Murray Barrett da geliştirdikleri sistemin dünyanın en hassas saati olduğundan emin olduğunu söyledi.
Saatin merkezinde tek bir lutesyum iyonu var
Atom saatleri, elektronların enerji seviyeleri arasında geçiş yaptığı sırada ortaya çıkan ve son derece sabit olan frekansları referans alarak çalışıyor.
Lazer bu geçişle eşleşecek biçimde ayarlanıyor. Işığın salınımları da klasik bir saatteki sarkacın hareketine benzer şekilde zamanın ölçülmesini sağlıyor.
CQT'nin geliştirdiği sistemde referans olarak elektrik yüklü tek bir lutesyum-176 atomu, yani iyon kullanılıyor. Bu geçiş, 848 nanometre dalga boyundaki lazerle eşleştiriliyor.
Atom saatlerinin karşılaştığı sorunlardan biri çevre koşulları. Sıcaklık değişimleri ve manyetik alanlar, zamanı ölçmek için kullanılan geçiş frekansında değişikliğe neden olabiliyor. Bu yüzden saatin doğruluğu hesaplanırken söz konusu etkilerin de dikkate alınması gerekiyor.
Lutesyumun farkı burada ortaya çıkıyor. Lutesyumun saat geçişi hem sıcaklık değişimlerinden hem de manyetik alanlardan neredeyse hiç etkilenmiyor. Böylece farklı koşullarda daha kararlı bir referans elde edilebiliyor.
Barrett, bunu çarpıcı bir örnekle anlattı. Araştırmacıya göre lutesyum saati, Dünya'da kaydedilen en sıcak yer olan Ölüm Vadisi'nden Antarktika platosundaki en soğuk noktaya götürülse dahi kararlılığını koruyabilir.
10 yıldan uzun süredir üzerinde çalışıyorlar
Araştırma ekibinin lutesyumla çalışmaya başlaması yeni değil. Bilim insanları, elementin özelliklerinin zaman ölçümü açısından en iyi seçeneklerden biri olabileceğini düşünerek çalışmalarına 10 yıldan uzun süre önce başladı.
Ancak teorideki avantajı çalışan bir saate dönüştürmek yıllar sürdü. Atomun özelliklerinin ayrıntılı biçimde ölçülmesinin yanı sıra hassas mühendislik çalışmaları yapıldı.
Araştırmacılar saat geçişini tanımlamak için “aşırı ince ortalama” adı verilen bir yöntem de geliştirdi. Ekip, bilindiği kadarıyla lutesyumu zaman ölçümünde kullanan tek araştırma grubu olmayı sürdürüyor.
İki saati 200 saat boyunca karşılaştırdılar
Bir atom saatinin gerçekten ne kadar hassas olduğunu görebilmek için tek bir saat yeterli değil. Araştırmacılar bu nedenle iki ayrı lutesyum saati üretti.
Korelasyon spektroskopisi adı verilen yöntemle iki sistem 200 saat boyunca karşılaştırıldı. Saatler 5,7 × 10⁻¹⁹ belirsizlik içinde birbiriyle uyum gösterdi. Bu değer, şimdiye kadar bildirilen en hassas saat karşılaştırması olarak kayda geçti.
Araştırmacılara göre ölçüm süresi uzatıldıkça söz konusu belirsizlik daha da azaltılabilir.
Çalışmanın ortak başyazarlarından CQT Kıdemli Araştırmacısı Kyle Arnold, bu noktayı bilinen bir espri üzerinden anlattı. Arnold, bir saati olan kişinin saatin kaç olduğunu bildiğini, iki saati olan kişinin ise bundan hiçbir zaman emin olamadığına ilişkin sözü hatırlattı.
Bu örneğin aslında temel bir bilimsel problemi anlattığını belirten Arnold, bir standardın doğruluğunu sınamanın yolunun saatleri karşılaştırmak ve aynı sonucun tekrarlanabildiğini göstermek olduğunu ifade etti.
5 milimetrelik farkı bile görebiliyor
Araştırmanın en çarpıcı ayrıntılarından biri ise saatlerin yerçekimine karşı gösterdiği hassasiyet oldu.
Yerçekimi, zamanın geçişini yavaşlatıyor. Bu nedenle farklı yüksekliklerde bulunan son derece hassas iki saat, çok küçük de olsa farklı hızlarda çalışabiliyor.
10⁻¹⁹ seviyesindeki optik atom saatleri bu etkiyi yalnızca birkaç milimetrelik yükseklik değişiminde bile algılayabiliyor.
CQT'deki karşılaştırma sistemi, aynı masa üzerinde bulunan iki saat arasındaki 5 milimetrelik yükseklik farkını ayırt edebiliyor. Bu farkın deney sonuçlarını sınırlamaması için bilim insanları iki lutesyum iyonunun birbirlerine göre yüksekliğini bir milimetreden daha düşük hassasiyetle ölçtü.
Ancak bu olağanüstü hassasiyet başka bir sorunu beraberinde getiriyor. Dünya'nın farklı noktalarındaki yerçekimi değişimleri yeterince kesin bilinmediğinden lutesyum saatini dünyanın önde gelen diğer atom saatleriyle karşılaştırmak zorlaşıyor.
Barrett ise mevcut sonuçların ardından bu saatin gelecekte nasıl geçilebileceğini göremediğini söyledi.
Saniyenin tanımı da değişebilir
Zaman ölçümünün temelinde bugün hâlâ sezyum bulunuyor. Sezyum atomları 1960'lardan bu yana saniyenin tanımlanmasında referans olarak kullanılıyor. Sezyum atom saatleri aynı zamanda küresel konumlama sistemlerinin çalışmasını destekliyor, iletişim ve ulaşım ağlarının senkronizasyonunda görev yapıyor.
Optik atom saatleri ise daha yüksek geçiş frekanslarından yararlanıyor. Aynı zaman aralığında daha fazla salınımın sayılabilmesi, zamanın daha hassas ölçülmesine imkan veriyor.
Son yıllardaki rekorlarda iterbiyum, stronsiyum ve alüminyum kullanılan sistemler öne çıkmıştı. CQT ekibi, lutesyum saatinin bu elementlerle geliştirilen saatlerin performansını geride bıraktığını bildiriyor.
Atom saatlerindeki gelişmeler, saniyenin tanımını da değiştirebilir. Zaman standartlarından sorumlu uluslararası kuruluş, 2030 veya sonrasında gerçekleşmesi beklenen olası yeniden tanımlama için optik saatlerden elde edilen ölçümleri değerlendiriyor.
Lutesyum saatlerinin hassasiyeti yalnızca zamanı daha doğru göstermek için kullanılmayabilir. Yerçekimine karşı duyarlılıkları sayesinde Dünya'nın farklı bölgelerindeki yerçekimi değişimlerinin izlenmesinde de rol oynayabilirler.
Daha hassas saatlerin temel fizikte henüz yanıtlanamamış soruların araştırılmasına katkı sağlayabileceği de değerlendiriliyor.
NUS ekibinde doktora öğrencisi ve çalışmanın ortak başyazarlarından Michael Lee'ye göre sıradaki adım, laboratuvar ölçeğindeki saati küçülterek taşınabilir hale getirmek.
Sistemin laboratuvar dışına çıkarılması yeni saat karşılaştırmalarının yapılmasını ve farklı kullanım alanlarının araştırılmasını sağlayacak. Ekip, mevcut doğruluk seviyesinden vazgeçmeden saati daha küçük boyutlara indirebileceğini düşünüyor.
