Terobosan Fisika Bawa Jam Nuklir Lebih Dekat ke Kenyataan, Kecanggihan Teknologi Atom Kalah

KONTEKS.CO.ID – Jam nuklir yang lebih canggih dan presisi daripada jam atom sudah mendekati kenyataan. Para ilmuwan tengah bekerja keras mewujudkannya.

Bayangkan sebuah jam berdetak begitu stabil sehingga tidak kehilangan sedetik pun, bahkan setelah berjalan selama 1 miliar tahun.

“Para ilmuwan kini lebih dekat dari sebelumnya untuk mewujudkan tingkat ketepatan penunjuk waktu itu,” demikian hasil penelitian baru, melansir CNN, Rabu 11 September 2024.

Perangkat semacam itu akan jauh melampaui kemampuan jam atom, yang menentukan rentang waktu sedetik melalui lonjakan energi terkendali pada elektron atom dan saat ini merupakan puncak akurasi untuk mengukur waktu. Dalam jam atom, sinyal yang merangsang atom berosilasi pada frekuensi miliaran kali per detik.

Para peneliti baru-baru ini mengembangkan teknik yang dapat meningkatkan akurasi ini. Caranya dengan memicu dan mengukur osilasi pada target yang lebih sulit: inti atom.

Untuk jam nuklir ini, para ilmuwan menggunakan sinar ultraviolet untuk merangsang partikel nuklir dalam atom thorium-229 yang tertanam dalam kristal padat. Mereka kemudian mengukur frekuensi denyut energi yang memengaruhi inti atom — yang setara dengan pendulum dalam jam biasa — dengan menghitung gelombang dalam sinyal UV menggunakan alat yang disebut sisir frekuensi optik.

Ini menyebabkan lonjakan energi dalam nukleus memerlukan sinyal frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada yang jam atom butuhkan. Dengan lebih banyak siklus gelombang per detik, ilmuwan berharap pendekatan ini dapat memberikan pengukuran waktu yang lebih akurat.

Jam Nuklir Bisa Mengubah Semuanya

Meskipun jam nuklir mereka masih dalam tahap pengembangan, setelah direalisasikan, jam tersebut tidak hanya dapat mengubah ketepatan waktu tetapi juga studi fisika. Bahkan memengaruhi cara ilmuwan menyelidiki struktur alam semesta.

Prototipe tersebut sudah seakurat jam atom, dan versi mendatang terharapkan akan lebih tepat dan stabil, menurut penelitian yang dipublikasikan pada 4 September di jurnal Nature.

“Kini setelah para peneliti menunjukkan bahwa sinyal-sinyal ini dapat terproduksi dan terukur, ada banyak hal yang dapat kita dorong untuk lebih meningkatkan akurasi,” kata penulis utama studi Chuankun Zhang, mahasiswa pascasarjana di JILA —pusat penelitian bersama yang didanai oleh University of Colorado Boulder dan National Institute of Standards and Technology.

Misalnya, Zhang mencontohkan, penyesuaian dapat mencakup penyempurnaan penyelarasan dan frekuensi laser yang mengenai nukleus.

“Karya ini benar-benar menandai termulainya jam nuklir,” kata Dr Olga Kocharovskaya, seorang profesor fisika terkemuka di Universitas Texas A&M yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut.

Pada 2023, Kocharovskaya dan peneliti lain menguji inti atom skandium-45 sebagai kandidat yang mungkin untuk jam nuklir.

Pada saat itu, atom-atom tersebut menghasilkan transisi energi yang paling kuat — dan denyut yang terukur — yang pernah terlihat dalam sebuah inti. Tetapi hasil baru dari thorium-229 menghasilkan sinyal yang lebih kuat dan lebih stabil..

“Signifikansi yang lebih luas terletak pada keyakinan yang diberikan makalah ini terhadap realitas jam nuklir. Tidak ada keraguan bahwa jam seperti itu layak dan akan segera terbuat,” kata Kocharovskaya kepada CNN melalui email.

Penjelasan Jam Atom

Dalam jam atom, elektron atom dipantulkan oleh radiasi elektromagnetik pada frekuensi tertentu. Semburan energi membangkitkan elektron, mendorongnya ke orbit yang lebih tinggi di sekitar atom. Osilasi yang memicu transisi elektron antarkeadaan menandai berlalunya waktu, menurut NASA.

Keandalan jam atom jauh lebih baik daripada jam sehari-hari yang mengukur detik dalam getaran kristal kuarsa, yang cenderung tidak sinkron. Selama beberapa dekade, jam atom telah tergunakan dalam teknologi GPS, untuk eksplorasi ruang angkasa, dan untuk menjaga waktu internasional.

“Namun, jam atom juga rentan terhadap kehilangan sinkronisasi. Gangguan elektromagnetik dapat mengganggu elektron yang tereksitasi dan memengaruhi ketepatan penunjuk waktu,” jelas Zhang.

Bumi menyelesaikan rotasi normalnya selama 24 jam dengan kecepatan 1,59 milidetik pada tanggal 29 Juni, memecahkan rekor hari terpendek dalam sejarah modern.

Sebaliknya, partikel dalam inti atom lebih sulit teraduk daripada elektron. Proton dan neutron terikat erat oleh gaya nuklir kuat — gaya fundamental yang paling kuat.

Panjang gelombang yang dapat menyebabkan transisi inti berosilasi pada frekuensi yang lebih tinggi, memungkinkan pengukuran waktu yang lebih tepat, para peneliti melaporkan.

Mendapat Pujian Ilmuwan Dunia

Sebelum penelitian ini, ada beberapa terobosan penting untuk pengembangan jam nuklir. Yang pertama, pada 1976, adalah penemuan bahwa inti thorium “sangat berenergi rendah” dan dapat terdorong ke keadaan tereksitasi dengan menggunakan sinar laser ultraviolet vakum, atau VUV.

Pada 2003, para ilmuwan mengusulkan bahwa karena thorium membutuhkan lebih sedikit energi untuk mengeksitasi intinya daripada kebanyakan jenis atom lainnya, isotop thorium-229 akan menjadi kandidat yang baik untuk jam nuklir, menurut penelitian tersebut.

Pada tahun 2023, para ilmuwan memelopori metode penanaman thorium-229 ke dalam kristal; sistem keadaan padat ini menekan si sinyal dari peluruhan nuklir. Hal itu membuat sinyal yang teringinkan lebih mudah terlacak.

Awal tahun ini, peneliti lain mengukur panjang gelombang cahaya VUV yang terperlukan untuk merangsang nukleus dalam thorium-229.

“Pekerjaan kami terbangun di atas itu,” kata Zhang. “Dengan sumber cahaya sisir frekuensi dan kristal ini, kami mampu merangsang transisi nuklir dan berbagai energi transisi.”

Hasil mereka sekitar 1 juta kali lebih tepat daripada pengukuran sebelumnya, Zhang menambahkan.

“Makalah ini benar-benar luar biasa,” kata Dr. Shimon Kolkowitz, seorang profesor madya dan ketua fisika di University of California, Berkeley.

“Kualitas data dan kecepatan mereka mencapai hasil luar biasa dalam manuskrip baru ini benar-benar menakjubkan,” kata Kolkowitz.

“Ini merupakan langkah maju yang besar dalam pengembangan jam nuklir, yang telah para fisikawan upayakan selama beberapa dekade,” katanya lagi. ***