Para ilmuwan di National Institute of Standards and Technology telah menciptakan jam atom paling akurat di dunia, mencapai presisi hingga angka desimal ke-19. Namun yang menarik perhatian komunitas teknologi bukan hanya akurasi yang memecahkan rekor—melainkan kemampuan jam tersebut untuk mendeteksi perubahan yang sangat kecil dalam medan gravitasi, membuka kemungkinan-kemungkinan baru yang menakjubkan.
Spesifikasi Jam:
- Akurasi: 19 tempat desimal (ketidakpastian sistematis 5,5×10^-19)
- Peningkatan: 41% lebih akurat dari rekor sebelumnya
- Stabilitas: 2,6 kali lebih stabil dari jam ion lainnya
- Waktu pengukuran: Berkurang dari 3 minggu menjadi 1,5 hari untuk presisi maksimum
Mengukur Gravitasi Melalui Waktu
Jam ion aluminium yang baru ini sangat sensitif sehingga dapat mendeteksi efek dilatasi waktu kecil yang disebabkan oleh perpindahan hanya beberapa sentimeter lebih tinggi atau lebih rendah. Ini bekerja karena waktu bergerak sedikit lebih cepat pada ketinggian yang lebih tinggi akibat medan gravitasi yang lebih lemah—sebuah prediksi dari relativitas umum Einstein yang kini dapat diukur oleh jam ini dengan presisi yang belum pernah ada sebelumnya.
Diskusi komunitas mengungkapkan implikasi praktis dari sensitivitas ini. Jam tersebut secara teoritis dapat mendeteksi seseorang yang berjalan di dekatnya melalui pengaruh gravitasi mereka, meskipun efeknya akan sangat kecil. Beberapa bahkan menyarankan penggunaan jaringan jam-jam ini sebagai jenis radar gravitasi baru untuk mendeteksi kapal selam atau memetakan variasi kepadatan bawah tanah.
Dilatasi waktu: Efek di mana waktu berlalu dengan kecepatan yang berbeda tergantung pada kekuatan medan gravitasi atau gerakan relatif
Kemampuan Sensitivitas:
- Deteksi gravitasi: Dapat mengukur dilatasi waktu dari perubahan ketinggian beberapa sentimeter
- Perbandingan dengan jam cesium: Resolusi pergeseran vertikal ~1 mil vs beberapa sentimeter
- Aplikasi potensial: Geodesi, deteksi materi gelap, penelitian fisika fundamental
- Deteksi gelombang gravitasi: Memungkinkan dengan penerapan jaringan yang memadai
Tantangan Teknis dan Solusi
Jalan menuju akurasi yang memecahkan rekor ini memerlukan penyelesaian berbagai tantangan teknik. Tim peneliti harus mendesain ulang perangkap ion menggunakan wafer berlian yang lebih tebal dan lapisan emas yang dimodifikasi untuk mengurangi pergerakan ion yang tidak diinginkan. Mereka juga membangun kembali ruang vakum dari titanium alih-alih baja, mengurangi gas hidrogen latar belakang sebanyak 150 kali dan memungkinkan eksperimen berjalan selama berhari-hari alih-alih hanya 30 menit.
Yang mungkin paling mengesankan, tim berkolaborasi dengan laboratorium NIST lain yang berjarak 3,6 kilometer, menggunakan kabel serat optik di bawah jalan untuk berbagi laser ultra-stabil. Kemitraan ini mengurangi waktu pengukuran dari tiga minggu menjadi hanya satu setengah hari untuk mencapai presisi maksimum.
Perangkap ion: Perangkat yang menggunakan medan listrik untuk menahan partikel bermuatan di tempatnya Ruang vakum: Wadah tertutup dengan sebagian besar udara dihilangkan untuk mencegah interferensi
Komponen Teknis:
- Pasangan ion: Ion aluminium (untuk penghitungan waktu) + Ion magnesium (untuk kontrol)
- Material perangkap: Wafer berlian dengan elektroda berlapis emas
- Ruang vakum: Konstruksi titanium (150x lebih sedikit gas hidrogen dibanding baja)
- Sistem laser: Laser ultra-stabil yang dibagikan melalui tautan serat optik sepanjang 3,6km
- Waktu pengembangan: 20 tahun perbaikan berkelanjutan
Melampaui Pencatatan Waktu
Meskipun aplikasi langsung berfokus pada pendefinisian ulang standar ilmiah untuk mengukur detik, implikasi yang lebih luas meluas jauh melampaui pencatatan waktu. Sensitivitas ekstrem jam tersebut menjadikannya alat yang kuat untuk penelitian fisika fundamental, termasuk pencarian materi gelap dan pengujian apakah nilai-nilai fisik yang seharusnya konstan benar-benar berubah seiring waktu.
Komunitas juga mencatat aplikasi potensial dalam geodesi—ilmu mengukur bentuk Bumi dan medan gravitasi. Pengukuran yang begitu presisi dapat meningkatkan pemahaman kita tentang struktur bawah tanah, arus laut, dan bahkan membantu mendeteksi gelombang gravitasi dari luar angkasa.
Dengan platform ini, kami siap untuk mengeksplorasi arsitektur jam baru—seperti meningkatkan jumlah ion jam dan bahkan menggabungkannya—untuk lebih meningkatkan kemampuan pengukuran kami.
Pencapaian ini merepresentasikan 20 tahun pengembangan berkelanjutan, menunjukkan bagaimana investasi ilmiah yang berkelanjutan dapat menghasilkan teknologi terobosan dengan aplikasi yang baru mulai kita bayangkan.
Referensi: NIST Ion Clock Sets New Record for Most Accurate Clock in the World