PROBACA.COM – Kalau jam tanganmu terlambat beberapa detik, mungkin tidak ada yang terlalu peduli. Tapi bagi ilmuwan, selisih sekecil apa pun bisa berarti besar. Karena itu, mereka terus mencari cara membuat “detak” waktu semakin stabil—dan kini, sebuah jam nuklir baru berhasil berjalan mandiri lebih dari 24 jam tanpa bantuan jam atom konvensional.
Jam ini dikembangkan oleh para peneliti dari Institute of Atomic and Subatomic Physics di TU Wien dan tim dari PTB Braunschweig. Hasilnya menjadi langkah penting dalam metrologi, yaitu ilmu yang berurusan dengan pengukuran secara sangat presisi.
Rahasia jam nuklir ini ada pada inti atom thorium. Biasanya, perpindahan inti atom dari satu tingkat energi ke tingkat energi lain membutuhkan energi yang sangat besar. Namun thorium punya keistimewaan langka: dua tingkat energi pada intinya dipisahkan oleh celah energi yang sangat kecil.
Celah kecil itu membuat perpindahan energi inti thorium bisa dipicu menggunakan cahaya laser. Ini penting, karena laser dapat digunakan untuk mengendalikan keadaan energi inti—sesuatu yang tidak bisa dilakukan dengan cara serupa pada kebanyakan inti atom lain.
Bayangkan inti thorium seperti lonceng yang hanya berbunyi ketika dipukul dengan frekuensi yang tepat. Jika frekuensi lasernya pas, inti thorium menyerap cahaya. Dari respons yang sangat spesifik itu, ilmuwan bisa mendapatkan patokan untuk mengukur waktu.
Perjalanan menuju jam nuklir ini sudah berlangsung selama puluhan tahun. Terobosan besar terjadi pada April 2024, ketika tim yang dipimpin Prof. Thorsten Schumm dari TU Wien, bersama tim Prof. Ekkehard Peik dari PTB Braunschweig, berhasil mengidentifikasi transisi nuklir thorium secara eksperimen.
Mereka menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa sinar laser bisa membangkitkan inti thorium. Pada musim gugur 2024, perangkat thorium tersebut kemudian dihubungkan dengan jam atom optik konvensional. Percobaan itu menunjukkan bahwa inti thorium dapat digunakan sebagai referensi waktu yang sangat presisi.
Namun masih ada satu kemampuan penting yang belum dimiliki: jam tersebut harus mampu menjaga kestabilannya sendiri, tanpa terus bergantung pada jam atom biasa.
“Yang sebenarnya diinginkan adalah jam nuklir yang bisa menstabilkan dirinya sendiri,” jelas Thorsten Schumm. Gagasannya sederhana. Laser mengubah keadaan energi inti thorium, lalu inti thorium digunakan untuk menstabilkan frekuensi laser.
Untuk mewujudkannya, para peneliti membuat sistem dengan kristal khusus yang mengandung atom-atom thorium. Kristal ini diproduksi di TU Wien, lalu disinari laser.
Cahaya laser berosilasi pada frekuensi tertentu, seperti ketukan metronom yang sangat teratur. Ketukan inilah yang dipakai sebagai ritme pengukur waktu. Masalahnya, kondisi lingkungan bisa membuat frekuensi laser sedikit bergeser. Perubahan suhu saja, misalnya, dapat mengganggu kestabilannya.
Di sinilah inti thorium bekerja sebagai pengawas otomatis. Inti-inti tersebut hanya menyerap cahaya jika frekuensi laser benar-benar tepat. Ketika frekuensi mulai melenceng, jumlah cahaya yang diserap ikut berkurang.
Sistem kemudian mendeteksi perubahan itu dan mengatur laser agar kembali ke frekuensi yang benar. Prosesnya berlangsung terus-menerus, seperti pengatur suhu otomatis yang menyalakan atau mematikan pendingin agar ruangan tetap berada pada suhu yang ditentukan.
Dengan mekanisme umpan balik ini, jam nuklir dapat mempertahankan laju detaknya sendiri. Untuk pertama kalinya, para ilmuwan mendemonstrasikan jam nuklir yang mampu mengatur kestabilannya secara mandiri.
Mengapa inti atom bisa menawarkan ketelitian yang lebih tinggi? Inti atom berukuran lebih dari 10.000 kali lebih kecil dibandingkan atom. Karena ukurannya sangat mungil, inti lebih sedikit terpengaruh oleh gangguan dari lingkungan luar.
Gangguan yang lebih kecil berarti perubahan energi pada inti bisa menjadi patokan yang lebih bersih. Dalam prinsipnya, ini membuka peluang untuk mengukur waktu dan besaran fisika lain dengan ketelitian yang bahkan tidak dapat dicapai teknologi saat ini.
Dalam pengujian selama satu hari, purwarupa jam nuklir tersebut mencapai presisi relatif sekitar 10 pangkat minus 15. Angka itu setara dengan kesalahan kira-kira satu detik dalam 30 juta tahun.
Tentu, angka tersebut bukan berarti para peneliti benar-benar menunggu selama 30 juta tahun untuk memeriksanya. Itu adalah gambaran berdasarkan presisi yang terukur dari prototipe selama pengujian. Namun, perbandingan itu tetap menunjukkan betapa stabilnya sistem tersebut.
Meski begitu, jam nuklir ini belum mengalahkan jam atom optik terbaik di dunia. Jam-jam atom optik tersebut masih menjadi standar tertinggi untuk pengukuran waktu saat ini.
“Ini belum mencapai tingkat jam atom optik terbaik di dunia, tetapi untuk sebuah prototipe pertama, hasilnya sangat fantastis,” kata Schumm.
Para peneliti masih melihat banyak ruang untuk peningkatan. Mereka berencana menggunakan laser yang lebih kuat dan mengembangkan kristal thorium dengan kualitas lebih tinggi. Jika berhasil, jam nuklir suatu hari nanti bisa melampaui jam atom dan menjadi standar baru dalam pengukuran waktu.
Dampaknya juga tidak berhenti pada pembuatan jam yang lebih akurat. Pengukuran waktu yang semakin presisi dapat membantu meningkatkan pengukuran berbagai besaran fisika lainnya.
Nah, inti terobosan ini bukan sekadar membuat jam yang lebih tepat waktu. Para ilmuwan kini sedang memanfaatkan “detak” inti thorium yang sangat stabil untuk membangun pengukur waktu yang mampu menjaga ketelitiannya sendiri—dan mungkin, perlahan-lahan, menggantikan jam atom yang selama ini menjadi juaranya.
***
DISCLAIMER: Sebagian proses pengolahan artikel ini dibantu oleh teknologi AI. Pembaca disarankan memverifikasi kembali data dan informasi melalui sumber resmi atau sumber primer
Disadur dari ScienceDaily
