Jenis jam atom baru lebih tepat daripada yang dibuat sebelumnya, dengan kemampuan untuk berdetak dengan lancar selama seribu kali masa hidup alam semesta. Selain menjadi pencatat waktu terbaik hingga saat ini, jam gas kuantum yang baru mungkin suatu hari menawarkan wawasan ke dalam fisika baru.
Para peneliti di JILA (sebelumnya juga disebut sebagai Institut Gabungan untuk Laboratorium Astrofisika) menggunakan kombinasi atom strontium dan serangkaian sinar laser untuk membuat jam sehingga tepat mungkin dapat mengukur interaksi gravitasi pada skala yang lebih kecil daripada sebelumnya . Dengan melakukan itu, itu mungkin menjelaskan sifat hubungannya dengan kekuatan fundamental lainnya, sebuah misteri yang telah membingungkan fisikawan selama beberapa dekade.
Jam atom mengukur waktu dengan menggunakan getaran atom seperti metronom yang sangat tepat. Jam atom saat ini mati beberapa detik lebih dari puluhan miliar tahun. Iterasi terbaru ini tetap cukup akurat sehingga hanya akan mati 1 detik selama sekitar 90 miliar tahun.
Untuk mendapatkan ketepatan semacam itu, tim tersebut mendinginkan atom strontium agar mereka tidak bergerak dan saling bertabrakan - sesuatu yang dapat membuang getaran mereka. Pertama, mereka memukul atom dengan laser. Ketika terkena foton di laser, atom menyerap energi mereka dan memancarkan kembali foton, kehilangan energi kinetik dan menjadi lebih dingin. Tapi itu tidak cukup mendinginkan mereka. Jadi untuk membuatnya lebih dingin, tim mengandalkan pendinginan evaporatif, memungkinkan beberapa atom strontium menguap dan menerima lebih banyak energi. Mereka dibiarkan dengan antara 10.000 dan 100.000 atom, pada suhu hanya 10 hingga 60 miliar derajat di atas nol absolut, atau minus 459 derajat Fahrenheit (minus 273 derajat Celcius).
Atom-atom dingin terperangkap oleh pengaturan laser 3D. Balok diatur untuk saling mengganggu. Ketika mereka melakukannya, mereka menciptakan daerah energi potensial rendah dan tinggi, yang disebut sumur potensial. Sumur bertindak seperti karton telur yang ditumpuk, dan masing-masing memegang atom strontium.
Atom-atom menjadi sangat dingin sehingga mereka berhenti berinteraksi satu sama lain - tidak seperti gas normal, di mana atom-atom berlarian secara acak dan memantul dari rekan-rekan mereka, atom-atom yang didinginkan tetap diam. Mereka kemudian mulai berperilaku dengan cara yang kurang seperti gas dan lebih seperti benda padat, meskipun jarak di antara mereka jauh lebih besar daripada yang ditemukan di strontium padat.
"Dari sudut pandang itu, itu adalah bahan yang sangat menarik; sekarang memiliki sifat seolah-olah itu adalah keadaan yang solid," pemimpin proyek Jun Ye, seorang ahli fisika di Institut Nasional Standar dan Teknologi, mengatakan kepada Live Science. (JILA dioperasikan bersama oleh NIST dan University of Colorado di Boulder.)
Pada titik ini, jam sudah siap untuk mulai menjaga waktu: Para peneliti memukul atom dengan laser, salah satu elektron menarik yang mengorbit inti strontium. Karena elektron diatur oleh hukum mekanika kuantum, orang tidak dapat mengatakan tingkat energi elektron dalam sekali ia tereksitasi, dan hanya dapat mengatakan bahwa ia memiliki kemungkinan berada dalam satu atau yang lain. Untuk mengukur elektron, setelah 10 detik, mereka menembakkan laser lain ke atom. Laser itu mengukur di mana elektron berada di sekitar nukleus, seperti foton dari laser yang dipancarkan kembali oleh atom - dan berapa kali ia terombang-ambing dalam periode itu (10 detik).
Rata-rata pengukuran ini pada ribuan atom adalah apa yang membuat jam atom ini presisi, seperti halnya rata-rata detakan ribuan pendulum identik akan memberikan satu gagasan yang lebih tepat tentang periode pendulum itu seharusnya.
Sampai sekarang, jam atom hanya memiliki satu "string" atom yang bertentangan dengan kisi 3D, sehingga mereka tidak dapat mengambil pengukuran sebanyak yang dilakukan, kata Ye.
"Ini seperti membandingkan jam tangan," kata Ye. "Dengan menggunakan analogi itu, pulsa laser pada atom memulai osilasi yang koheren. Sepuluh detik kemudian kita menyalakan pulsa lagi dan bertanya pada elektron, 'Di mana Anda?'" Pengukuran itu dirata-rata lebih dari ribuan atom.
Menjaga elektron dalam keadaan di antara itu sulit, kata Ye, dan itulah alasan lain mengapa atom harus sangat dingin, sehingga elektron tidak sengaja menyentuh benda lain.
Jam pada dasarnya dapat mengukur detik hingga 1 bagian dalam triliunan. Kemampuan ini membuat lebih dari pencatat waktu yang benar-benar baik; mungkin membantu dalam mencari fenomena seperti materi gelap, kata Ye. Sebagai contoh, seseorang dapat membuat percobaan di ruang angkasa menggunakan timer yang akurat untuk melihat apakah atom berperilaku berbeda dari yang diprediksi oleh teori konvensional.
Studi ini dirinci dalam edisi 6 Oktober jurnal Science.
