PROBACA.COM – Bagaimana kalau sebuah jam bisa meleset hanya satu detik dalam 30 juta tahun? Kedengarannya seperti barang dari film fiksi ilmiah. Namun, para ilmuwan kini berhasil membuat prototipe jam nuklir yang mampu bekerja stabil lebih dari 24 jam tanpa harus “dituntun” oleh jam atom konvensional.
Pencapaian ini penting karena menyangkut metrologi—ilmu tentang pengukuran yang sangat presisi. Jam nuklir berpotensi membantu ilmuwan mengukur waktu dan berbagai besaran fisika dengan ketelitian yang suatu hari nanti bisa melampaui teknologi yang ada sekarang.
Kuncinya ada pada thorium, unsur yang memiliki sifat nuklir cukup unik. Inti atom biasanya bisa berada dalam beberapa tingkat energi, tetapi perpindahan antar tingkat itu memerlukan energi yang sangat besar. Thorium berbeda. Dua tingkat energi di dalam inti atom thorium dipisahkan oleh celah energi yang sangat kecil.
Celah kecil ini membuat perpindahan tingkat energi thorium bisa dipicu menggunakan laser. Bayangkan laser seperti sinyal yang harus disetel tepat ke frekuensi sebuah stasiun radio. Kalau frekuensinya pas, inti thorium akan menyerap cahaya dan berpindah ke tingkat energi lain. Peristiwa yang sangat spesifik ini kemudian dapat dijadikan 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 Institute of Atomic and Subatomic Physics di TU Wien, bersama tim Prof. Ekkehard Peik dari PTB Braunschweig, untuk pertama kalinya berhasil menunjukkan secara eksperimen bahwa sinar laser dapat membangkitkan inti thorium.
Pada musim gugur 2024, para peneliti menghubungkan perangkat pemicu thorium itu dengan jam atom optik konvensional. Hasilnya menunjukkan bahwa inti thorium dapat berfungsi sebagai referensi waktu yang sangat presisi. Namun, masih ada satu kemampuan penting yang belum dimiliki: jam tersebut belum bisa menjaga ketelitiannya secara mandiri.
“Yang benar-benar diinginkan adalah jam nuklir yang bisa menstabilkan dirinya sendiri,” jelas Thorsten Schumm. Gagasan dasarnya sebenarnya sederhana. Ada laser dan thorium. Laser mengubah keadaan energi inti thorium, lalu inti thorium dipakai untuk menstabilkan frekuensi laser.
Untuk mewujudkannya, tim peneliti membuat sistem yang menggunakan kristal khusus berisi atom-atom thorium. Kristal ini diproduksi di TU Wien. Laser diarahkan ke kristal tersebut, lalu berinteraksi dengan inti thorium di dalamnya.
Cahaya laser berosilasi pada frekuensi tertentu—ibarat detak teratur yang bisa dipakai untuk menghitung waktu. Masalahnya, detak ini bisa sedikit berubah akibat kondisi sekitar, misalnya perubahan suhu. Bagi jam biasa, perubahan kecil mungkin tidak berarti. Bagi jam presisi tinggi, pergeseran sekecil itu bisa mengacaukan pengukuran.
“Osilasi cahaya laser ini dapat digunakan untuk mengukur waktu, tetapi frekuensi laser bisa sedikit bergeser dari waktu ke waktu, misalnya karena fluktuasi suhu,” kata Schumm. Karena itu, diperlukan mekanisme yang menjaga frekuensi laser tetap tepat agar jam terus berdetak dengan irama yang sama.
Jam atom tradisional mengatasi masalah ini dengan memanfaatkan perpindahan energi elektron dalam atom sebagai patokan stabil. Tim dari Wina kini menunjukkan bahwa inti atom thorium juga dapat melakukan pekerjaan serupa.
Mekanismenya bekerja seperti sistem umpan balik otomatis. Inti thorium hanya menyerap cahaya jika frekuensi laser benar-benar tepat. Ketika frekuensi laser mulai bergeser, jumlah cahaya yang diserap inti thorium ikut menurun. Sistem mendeteksi perubahan itu, lalu otomatis mengatur kembali laser ke frekuensi yang benar.
Hasilnya, jam dapat mempertahankan laju yang konsisten tanpa memerlukan jam atom konvensional sebagai penjaga kestabilan. Untuk pertama kalinya, para ilmuwan mendemonstrasikan jam nuklir yang mampu mengatur dirinya sendiri dan beroperasi secara mandiri.
Keunggulan potensial jam nuklir berasal dari ukuran inti atom. Inti atom lebih dari 10.000 kali lebih kecil daripada atom secara keseluruhan. Karena sangat kecil, inti atom lebih sulit dipengaruhi gangguan dari lingkungan luar yang biasanya dapat mengacaukan pengukuran presisi.
Para peneliti menguji kinerja prototipe selama satu hari. Jam nuklir itu mencapai presisi relatif sekitar 10 pangkat minus 15. Angka tersebut setara dengan kesalahan kira-kira satu detik dalam 30 juta tahun.
Namun, angka itu bukan berarti para ilmuwan benar-benar menjalankan jam tersebut selama 30 juta tahun. Angka itu merupakan gambaran berdasarkan presisi yang diukur dalam pengujian. Meski begitu, hasilnya tetap mengesankan untuk sebuah prototipe awal.
Jam nuklir tersebut memang belum mengalahkan jam atom optik terbaik di dunia. Jam-jam atom optik itu masih menjadi standar emas untuk pengukuran waktu berperforma tinggi. “Ini belum mencapai tingkat jam atom optik terbaik di dunia, tetapi untuk prototipe pertama, hasilnya sangat fantastis,” ujar Schumm.
Tim peneliti masih melihat ruang perbaikan yang besar. Mereka berharap laser yang lebih kuat dan kristal thorium dengan kualitas lebih tinggi dapat meningkatkan presisinya secara signifikan. Jika pengembangan ini berhasil, jam nuklir suatu hari bisa melampaui jam atom yang ada dan menjadi standar baru untuk mengukur waktu.
Nah, rahasia jam ini bukan sekadar membuat jarum bergerak lebih tepat. Para ilmuwan sedang memanfaatkan inti atom yang sangat kecil dan stabil sebagai “detak jantung” baru—sebuah detak yang berpotensi membuat cara kita mengukur waktu menjadi jauh lebih presisi.
***
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
