Ilmu-Ilmu Fisik

Peningkatan Tingkat Presisi Jam Atom

Para peneliti berhasil membuat rekor baru untuk tingkat presisi jam atom dengan menggunakan pencitraan spektroskopi untuk mengurangi variasi yang terjadi pada frekuensi di dalam jam optik kisi atom strontium.

Ilustrasi jam atom

Gambar 1. Ilustrasi dari jam atom yang dikembangkan oleh Ye dan rekan-rekannya yang terdiri dari 10 ribu atom-atom Sr didalam kisi optik 3D (berwarna hijau). Frekuensi transisi digambarkan dengan jam-jam yang bervariasi sepanjang kisi. Variasi ini mengurangi tingkat presisi dari kumpulan pengukuran yang dilakukan.  Sumber gambar: https://physics.aps.org/articles/v11/22

Jam atom yang paling presisi saat ini menggunakan atom-atom strontium, ytterbium dan atom-atom alkali tanah lainnya (berilium, magnesium, kalsium, barium dan radium). Elemen-elemen ini memiliki transisi yang sangat sempit pada frekuensi optik sehingga mampu menghasilkan frekuensi standar yang stabil dan presisi untuk pengukuran waktu, seperti jam tangan yang menggunakan quartz sebagai osilatornya. Frekuensi standar elemen-elemen alkali tanah seribu kali lebih presisi dibanding jam atom cesium (Cs) yang saat ini digunakan untuk mendefinisikan detik dalam waktu kita. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Jun Ye dari JILA, National Institute of Standards and Technology and University of Colorado, Colorado, Amerika Serikat telah membuat standar baru untuk jam atom dengan mendemonstrasikan jam strontium (Sr) dengan tingkat presisi relatif sebesar 2.5 x 1019. Alat yang mereka ciptakan menggunakan ribuan dari atom Sr yang sangat dingin yang dibatasi (confined) didalam kisi 3D. Jam atom ini mengalahkan jam atom sebelumnya sebesar 1.4 kali dalam tingkat presisi.

Lalu kenapa kita menginginkan jam yang lebih presisi? Ilmuwan yakin bahwa dengan peningkatan ini maka pintu-pintu baru akan terbuka untuk penemuan-penemuan baru tentang alam semesta. Fenomena-fenomena yang sebelumnya mustahil untuk dipelajari atau pertanyaan-pertanyaan tentang alam semesta yang terlihat retoris akan seketika berubah menjadi penelitian yang dapat dilakukan akibat peningkatan kemampuan dari tingkat ketelitian instrumen. Saat ini jam optik sudah diajukan sebagai alat baru untuk mendeteksi gelombang gravitasi, untuk membuat batasan standar deviasi dari konstanta-konstanta fundamental dan untuk mempelajari waktu itu sendiri. Kemajuan pada jam optik akan berakibat pada teknologi-teknologi baru diantaranya sistem GPS dengan tingkat akurasi dibawah skala sentimeter (cm), navigasi ruang angkasa, telekomunikasi yang jauh lebih aman, metode baru untuk eksplorasi cadangan minyak dan gas serta deteksi gerakan lempeng tektonik yang lebih akurat.

Untuk lebih memahami penelitian yang dilakukan oleh Ye dan timnya, maka kita harus memahami konsep mengenai frekuensi standar. Pertama-tama, kita memerlukan transisi atomik dengan frekuensi tinggi dan standar deviasi dari frekuensi ini sangat kecil sehingga sebuah frekuensi bisa didefinisikan dengan sangat akurat. Kedua, transisi ini harus bisa diukur dalam rentang waktu yang sangat panjang karena dengan melakukan rata-rata terhadap pengukuran yang banyak akan menghasilkan tingkat presisi yang lebih tinggi. Ketiga, diperlukan sebuah osilator yang sangat stabil seperti laser atau sumber gelombang mikro untuk mengeksitasi atom-atom. Selain itu, dengan melakukan pengukuran terhadap N atoms yang sama maka quantum projection noise (QPN) dapat dikurangi sebesar N1/2.

Dengan pertimbangan-pertimbangan diatas, beberapa grup peneliti telah mengembangkan jam atom menggunakan transisi optik atom Sr. Transisi ini memiliki frekuensi sekitar 429 terahertz (THz) dan standar deviasi yang kurang dari 1 hertz. Selain itu QPN bisa dikurangi dengan melakukan pengukuran dari jutaan atom-atom yang dibatasi didalam kisi optik. Ye dan rekan-rekannya melakukan eksperimen diatas dengan mendinginkan 10 ribu atom Sr ke temperature 15 nanokelvin (nK) dan memasukkan mereka ke dalam kisi optik 3D. Para peneliti lalu melakukan spektroskopi dari waktu transisi dengan mengeksitasi transisi pada frekuensi 429 THz dengan sebuah laser yang sangat stabil.

Penelitian ini tidak mudah karena untuk mencapai tingkat presisi dan kestabilan yang lebih tinggi, peneliti harus menyelesaikan beberapa masalah seperti ketidakpastian statistik. Ketidakpastian ini disebabkan oleh dua hal yaitu efek dari sebuah particle (single-particle effect) atau efek dari banyak partikel (many-particle effect). Efek sebuah partikel bisa bersumber dari noise frekuensi pada laser yang mengakibatkan energi lokal dari atom-atom berbeda-beda sehingga atom-atom di tempat yang berbeda dari sebuah kisi akan mengalami transisi pada frekuensi yang berbeda. Perbedaan frekuensi transisi ini akan mengurangi tingkat presisi dari kumpulan pengukuran yang dilakukan.

Sebaliknya, efek dari banyak partikel berhubungan dengan interaksi diantara atom-atom yang berakibat pada pergeseran frekuensi yang bergantung dari jumlah atom-atom didalam kisi tersebut. Masalah ini seperti sebuah dilema karena dengan menambah jumlah atom ke dalam kisi akan memberikan sebuah kumpulan yang lebih besar sehingga akan menghasilkan tingkat presisi pengukuran yang lebih tinggi. Namun hal ini juga merugikan karena memperburuk efek banyak partikel yang dapat merubah frekuensi transisi.

Tidak disangka, Ye dan grupnya berhasil memecahkan masalah ini dengan mendinginkan atom-atom Sr hingga dibawah temperatur mikrokelvin. Seperti hasil yang dipublikasikan di Jurnal Physical Review Letters, atom-atom yang didinginkan akan membentuk gas kuantum yang memiliki degenerasi dimana mereka bisa menghindari sesamanya dengan melakukan insulasi terhadap fasa (phase) secara presisi sehingga hanya ada satu atom di satu lokasi di kisi optik. Interaksi antara atom-atom secara drastis dikurangi akibat oleh insulasi pada fasa.

Sebagai akibatnya, efek dari sebuah partikel akan menjadi lebih dominan. Seperti yang telah dijelaskan diatas, efek ini mengakibatkan atom-atom dari bagian-bagian yang berbeda pada kisi mengalami perbedaan frekuensi transisi. Untuk memecahkan masalah ini, Ye dan rekan-rekannya mengukur frekuensi jam atom pada lokasi yang berbeda pada kisi optik dengan menggabungkan spektroskopi optik dengan teknik pencitraan spasial beresolusi tinggi. Pemetaan terhadap frekuensi yang dilakukan memperlihatkan variasi pada frekuensi transisi atom Sr, gambar 1, sehingga peneliti dapat menentukan dan menghilangkan beberapa sumber ketidakhomogenan pada frekuensi transisi. Mereka mampu menghilangkan perbedaant yang sangat kecil pada laser-laser yang mengeksitasi atom-atom yang terletak pada kisi optik yang mengakibatkan variasi pada frekuensi jam. Efek ini telah diabaikan pada penelitian-penelitian sebelumnya. Sebagai tambahan, kisi laser juga diketahui mengganggu frekuensi atom-atom. Para peneliti menyelesaikan masalah ini dengan menggunakan teknik pencitraan untuk menemukan “panjang gelombang ajaib” dari kisi laser dimana efek tersebut dapat hilang. Pada akhirnya, mereka bisa mengkalibrasi noise pada eksperimen mereka dengan menggunakan teknik ini.

Teknik baru ini akan membawa kita ke pengembangan-pengembangan dan peningkatan-peningkatan pada tingkat presisi dan kestabilan jam atom. Penelitian mereka juga dikenal karena menggabungkan spektroskopi optik yang begitu presisi dengan pencitraan atom beresolusi tinggi. Kedua teknik tersebut adalah inovasi yang paling berpengaruh untuk fisika atomik super dingin (ultracold atomic physics) dalam satu dekade terakhir. Teknik pencitraan yang dilakukan oleh Ye dan rekan-rekannya saat ini masih belum bisa memiliki tingkat resolusi dari sebuah lokasi di kisi optik. Namun hal ini akan sangat mungkin dengan perkembangan-perkembangan pada sistem pencitraan. Dengan menggunakan tingkat resolusi sebuah lokasi maka jam atom ini dapat digunakan sebagai probe yang sangat sensitif untuk interaksi rentang yang panjang (long-range interactions) dan korelasi kuantum pada fasa kuantum yang eksotis yang diprediksi ada di kisi gas alkali tanah pada temperatur yang sangat rendah.

Tulisan ini diambil dari laman:  https://physics.aps.org/articles/v11/22 dan bersumber dari jurnal: G. Edward Marti et al., Imaging Optical Frequencies with 100 μHz Precision and 1.1 μm Resolution, Physical Reviel Letter 120 (2018).

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s