Καθώς η ανθρωπότητα συνεχίζει να αναζητά όλο και πιο ακριβή τρόπους για τη μέτρηση του χρόνου, μία νέα εντυπωσιακή πρόοδος έρχεται από τις ΗΠΑς επανάσταση στον τομέα των ατομικών ρολογιών. Ερευνητές από το National Institute of Standards and Technology (NIST) σημείωσαν ένα νέο παγκόσμιο ρεκόρ ακρίβειας, βασισμένοι σε μια εξαιρετικά σταθερή δόνηση ενός και μόνο ιόντος αλουμινίου. Αυτή η τεχνολογική καινοτομία φέρνει την ακρίβεια χρονικής μέτρησης σε επίπεδα που έως πρόσφατα θεωρούνταν αδιανόητα.
Στο επίκεντρο αυτής της εξέλιξης βρίσκεται ένα βασικό πρόβλημα της σύγχρονης χρονομέτρησης: η ανεύρεση του πιο αξιόπιστου και σταθερού «παλμού» στο Σύμπαν. Για δεκαετίες, το άτομο του καισίου είχε τον ρόλο αυτό, καθώς ο ορισμός του δευτερολέπτου βασίζεται στις ταλαντώσεις του. Ωστόσο, οι επιστήμονες του NIST ανακάλυψαν ότι ένα μοναδικό ιόν αλουμινίου επιδεικνύει ακόμα πιο σταθερή συμπεριφορά. Η πρόκληση, όμως, ήταν πως το αλουμίνιο είναι δύσκολο να ελεγχθεί και να μετρηθεί άμεσα με τα συμβατικά εργαλεία, όπως τα λέιζερ.
Η απάντηση σε αυτή τη δυσκολία ήρθε με την ανάπτυξη μιας έξυπνης τεχνικής, γνωστής ως “φασματοσκοπία κβαντικής λογικής“. Σε αυτή την προσέγγιση, οι ερευνητές συνέζευξαν το δύστροπο ιόν αλουμινίου με ένα πιο συνεργάσιμο ιόν μαγνησίου. Το μαγνήσιο είναι πολύ πιο φιλικό στη χρήση laser, μπορεί να ψυχθεί εύκολα και επιτρέπει στους επιστήμονες να ελέγχουν έμμεσα το αλουμίνιο. Με αυτόν τον τρόπο, κατάφεραν να καταγράψουν με εξαιρετική ακρίβεια τις ταλαντώσεις του και να εκμεταλλευτούν τη σταθερότητά του.
Η δημιουργία αυτής της διάταξης αποτέλεσε προϊόν δύο δεκαετιών συνεχούς ερευνητικής προσπάθειας. Καμία λεπτομέρεια δεν θεωρήθηκε ασήμαντη. Ένα από τα πιο περίπλοκα εμπόδια που έπρεπε να ξεπεραστούν ήταν οι ανεπιθύμητες μικροκινήσεις των ιόντων μέσα στην παγίδα που τα συγκρατεί, καθώς ακόμη και οι πιο ανεπαίσθητες κινήσεις επηρέαζαν αρνητικά την ακρίβεια των μετρήσεων.
Για να περιορίσουν αυτές τις παρεμβολές, οι ερευνητές σχεδίασαν εκ νέου την παγίδα, χρησιμοποιώντας παχύτερο δίσκο από διαμάντι και τροποποιώντας τις χρυσές επιφάνειες ώστε να εξουδετερώνουν τα παράσιτα. Παράλληλα, αντιμετώπισαν και το πρόβλημα της απελευθέρωσης υδρογόνου από τις μεταλλικές επιφάνειες των παραδοσιακών θαλάμων κενού, κάτι που αλλοίωνε τη συμπεριφορά των ιόντων. Η λύση ήρθε με την κατασκευή ενός νέου θαλάμου από τιτάνιο, ο οποίος περιόρισε την παρουσία υδρογόνου κατά 150 φορές και επέτρεψε στη συσκευή να λειτουργεί αδιάλειπτα για ημέρες, αντί για λίγα λεπτά.
Στο επίκεντρο αυτής της περίπλοκης αρχιτεκτονικής βρίσκεται ένα από τα πιο σταθερά laser στον κόσμο, το οποίο παρέχεται από το εργαστήριο του Dr. Jun Ye στο JILA. Για να διατηρηθεί η αξεπέραστη σταθερότητά του κατά τη μεταφορά προς το ρολόι του αλουμινίου, η δέσμη του ταξίδεψε μέσω μιας οπτικής ίνας μήκους 3,6 χιλιομέτρων. Η χρήση αυτής της τεχνολογίας μείωσε δραματικά τον χρόνο που απαιτείται για τις μετρήσεις – από εβδομάδες σε μόλις μιάμιση ημέρα.
Το αποτέλεσμα αυτής της εξαντλητικής δουλειάς ήταν εντυπωσιακό: ένα νέο ρεκόρ στον κόσμο των ατομικών ρολογιών. Το ρολόι αλουμινίου του NIST πέτυχε ακρίβεια που φτάνει στο 19ο δεκαδικό ψηφίο και σταθερότητα 41% υψηλότερη σε σύγκριση με τον προηγούμενο κάτοχο του ρεκόρ. Μάλιστα, είναι 2,6 φορές πιο σταθερό, στοιχείο που ενισχύει ακόμα περισσότερο τη χρηστικότητά του σε επιστημονικές εφαρμογές.
Η συγκεκριμένη επίδοση δεν αποτελεί απλώς ένα τεχνικό κατόρθωμα. Ανοίγει τον δρόμο για σημαντικές εξελίξεις στην επιστήμη και την τεχνολογία. Το νέο αυτό ρολόι θα αποτελέσει θεμέλιο λίθο για την ενδεχόμενη αναθεώρηση του ορισμού του δευτερολέπτου, θα χρησιμοποιηθεί για ακριβείς μετρήσεις της καμπυλότητας της Γης και του βαρυτικού της πεδίου, και θα επιτρέψει νέες δοκιμές στη σύγχρονη φυσική, ακόμη και πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
[via]
