Jam nuklir pertama di dunia yang berfungsi dan dibuat dengan inti thorium setelah upaya selama beberapa dekade
Selama beberapa dekade, jam nuklir telah menjadi salah satu janji fisika yang paling menggiurkan. Sebuah perangkat yang dapat mencatat waktu lebih akurat daripada jam atom terbaik saat ini. Kini, dua tim peneliti independen telah mewujudkan gagasan ini. Para peneliti di Tiongkok dan Eropa telah mendemonstrasikan jam nuklir yang bekerja berdasarkan inti thorium-229, sebuah isotop langka yang sifat uniknya telah lama menjadikannya kandidat utama untuk penunjuk waktu generasi berikutnya. Pencapaian ini mewakili lebih dari sekedar jenis jam baru. Karena inti atom jauh lebih terlindung dari gangguan lingkungan dibandingkan elektron yang digunakan dalam jam atom, jam nuklir pada akhirnya bisa menjadi pencatat waktu paling tepat yang pernah dibuat. Ditambah lagi, terobosan ini dapat meningkatkan navigasi, penginderaan gravitasi, dan pengujian hukum yang mengatur alam semesta. Seperti dicatat oleh para peneliti, “dengan menjadikan inti atom yang diberi alamat laser sebagai referensi jam operasional, pekerjaan ini memperluas metrologi kuantum dari transisi elektronik ke nuklir, dan membuka platform baru untuk jam kompak, sensor kuantum nuklir solid-state, dan uji presisi fisika fundamental.” Mengubah inti thorium menjadi jam Jam atom modern menjaga waktu dengan mengukur frekuensi cahaya yang diserap atau dipancarkan ketika elektron berpindah antara tingkat energi tertentu di dalam atom. Karena frekuensi ini sangat stabil, penghitungan osilasinya memberikan cara yang sangat akurat untuk mengukur waktu. Fisikawan telah lama membayangkan membuat jam menggunakan inti atom, bukan elektron. Ide ini menarik karena inti atom jauh lebih kecil dan lebih terisolasi dari dunia luar. Medan listrik dan magnet yang menyimpang yang dapat sedikit mengganggu elektron mempunyai pengaruh yang jauh lebih kecil terhadap inti. Pada prinsipnya, hal ini memungkinkan jam nuklir mencapai stabilitas dan presisi yang lebih baik. “Jam nuklir semacam itu mungkin menyaingi atau mengungguli jam optik saat ini berdasarkan transisi kulit elektron dalam atom atau ion, diharapkan lebih kuat terhadap gangguan eksternal, dan memberikan peningkatan sensitivitas dalam pengujian prinsip dasar fisika berbasis jam,” para peneliti menjelaskan. Namun, masalahnya adalah hampir semua transisi energi nuklir terlalu energik untuk dikendalikan dengan laser. Mereka biasanya membutuhkan sinar gamma berenergi tinggi daripada sinar laser biasa. Thorium-229 adalah pengecualian yang luar biasa. Intinya memiliki keadaan tereksitasi berenergi rendah yang luar biasa yang dapat dicapai dengan menggunakan sinar laser ultraviolet. Selama bertahun-tahun, fisikawan menyadari bahwa hal ini menjadikan thorium-229 satu-satunya kandidat realistis untuk jam nuklir. Meski begitu, tugas tersebut tetap luar biasa sulit. Transisi yang diperlukan terjadi pada panjang gelombang sekitar 148 nanometer, jauh di dalam wilayah vakum ultraviolet dari spektrum elektromagnetik. Menghasilkan sinar laser yang stabil pada panjang gelombang ini dan mencocokkannya secara tepat dengan transisi nuklir telah mendorong teknologi yang ada hingga mencapai batas kemampuannya. Dua tim, satu terobosan Kedua kelompok memecahkan masalah dengan menggunakan strategi yang hampir sama. Satu tim, dipimpin oleh para peneliti di Universitas Tsinghua, dan satu lagi dari Pusat Sains dan Teknologi Quantum Wina, memasukkan atom thorium-229 ke dalam kristal kalsium fluorida. “Di sini, kami menerapkan jam nuklir thorium-229 dengan menstabilkan laser gelombang kontinu ke transisi nuklir 148 nm dengan umpan balik cepat berdasarkan spektroskopi serapan berkelanjutan,” catat para peneliti dari Pusat Wina. Kristal tersebut bertindak sebagai inang padat yang menahan sejumlah besar inti torium di tempatnya sekaligus memungkinkan sinar laser berinteraksi dengannya. Kedua kelompok kemudian menyinari kristal tersebut dengan laser ultraviolet vakum gelombang kontinu yang sangat terspesialisasi yang disetel dekat transisi nuklir thorium. Meskipun konsep keseluruhannya serupa, tim mengoptimalkan bagian eksperimen yang berbeda. Para peneliti Tiongkok mengandalkan sistem laser yang lebih kuat untuk mendorong transisi nuklir. Tim Eropa malah menggunakan kristal yang mengandung inti thorium dengan konsentrasi lebih tinggi, sehingga meningkatkan jumlah inti yang tersedia untuk pengukuran. Setelah mereka berhasil menggairahkan inti atom, para peneliti perlu menunjukkan bahwa sistem tersebut dapat berfungsi sebagai jam yang sebenarnya, bukan sekadar mendeteksi transisi. Jadi, apakah sistemnya berhasil? Tim Tiongkok mengunci frekuensi laser ultraviolet vakum mereka langsung ke resonansi nuklir. Akibatnya, inti thorium menjadi referensi frekuensi yang terus menerus mengoreksi laser. Para peneliti melaporkan ketidakstabilan frekuensi pecahan mendekati satu bagian dari 10 triliun setelah satu hari beroperasi, menunjukkan bahwa transisi nuklir dapat berfungsi sebagai sinyal penunjuk waktu yang stabil. Tim Eropa memilih tes yang berbeda. Alih-alih hanya berfokus pada kinerja jam, mereka menggunakan jam nuklir mereka sebagai penyelidikan ilmiah. Para peneliti mencari materi gelap ultralight, suatu bentuk materi hipotetis yang secara halus dapat mengubah tingkat energi di dalam inti atom. Jika partikel seperti itu ada, mereka mungkin menghasilkan pergeseran periodik kecil pada frekuensi transisi thorium. “Kami menggunakan jam nuklir untuk membatasi model materi gelap ultralight dengan mencari fluktuasi periodik dan penyimpangan lambat energi transisi nuklir, dalam skala waktu antara 20 detik dan satu hari,” kata tim Wina. Tidak ada bukti materi gelap yang terdeteksi. Namun, percobaan tersebut menunjukkan bahwa jam nuklir cukup sensitif untuk menyaingi atau melampaui kemampuan jam atom terbaik dunia dalam mencari efek tersebut. Bersama-sama, kedua penelitian tersebut memberikan bukti terkuat bahwa jam nuklir praktis bukan lagi sebuah konsep teoretis melainkan sebuah teknologi operasional. Apa yang terjadi selanjutnya? Meskipun perangkat generasi pertama ini masih merupakan sistem laboratorium, perangkat ini menandai dimulainya era baru dalam pengukuran presisi. Jam nuklir masa depan bisa mengungguli jam atom tercanggih saat ini karena inti thorium secara alami terlindungi dari banyak sumber kebisingan yang membatasi teknologi saat ini. Menurut para peneliti, jam seperti itu pada akhirnya dapat meningkatkan navigasi satelit, memberikan pengukuran gravitasi yang lebih tepat, dan memungkinkan pengujian baru terhadap fisika fundamental. Tujuan utama berikutnya adalah menyempurnakan teknologi, mengurangi ukuran dan kompleksitasnya, serta membandingkan beberapa jam nuklir satu sama lain. Anda dapat membaca studinya di sini dan di sini.
Diterbitkan : 2026-06-13 10:37:00
sumber : interestingengineering.com
