ساعت یونی NIST رکورد جدیدی را برای دقیق‌ترین ساعت جهان ثبت کرد
عنوان خبر: ساعت یونی NIST رکورد جدیدی را برای دقیق‌ترین ساعت جهان ثبت کرد
ژانر/موضوع: حسگری کوانتومی، ساعت اتمی، ساعت اپتیکی، ساعت یونی
تاریخ انتشار خبر: 14 ژوئیه 2025
لینک خبر: nist.gov
چکیده:
پژوهشگران NIST دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان را ساخته‌اند و با استفاده از یک یون آلومینیوم که با یک یون منیزیم جفت شده، به عدم قطعیت فرکانس کسری بی‌سابقه‌ای به اندازه 5.5×10⁻¹⁹ دست یافته‌اند. این «سیستم همکار» امکان خنک‌سازی دقیق و خوانش حالت کوانتومی را فراهم می‌کند و چالش دشوار کنترل آلومینیوم با لیزر را حل می‌کند. دهه‌ها بهبود شامل بازطراحی تله یونی برای کاهش حرکت‌های ناخواسته، استفاده از محفظه‌ی خلأ تیتانیومی برای کاهش برخوردهای هیدروژنی و اتصال فیبر نوری به یکی از پایدارترین لیزرهای جهان برای افزایش پایداری بوده است.
این ساعت اپتیکی از ساعت‌های مبتنی بر سزیم دقیق‌تر است و به تلاش‌ها برای بازتعریف ثانیه کمک می‌کند. فراتر از زمان‌سنجی، این دستاورد بستر آزمایش‌های بنیادی در فیزیک و ژئودزی را فراهم کرده و می‌تواند مسیر فناوری‌های کوانتومی پیشرفته و استانداردهای دقیق‌تر اندازه‌گیری را هموار کند.
شرح کامل خبر:
در پیشرفتی چشمگیر برای اندازه‌گیری زمان با دقت بی‌سابقه، پژوهشگران موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان را توسعه داده‌اند — یک ساعت اتمی نوری که بر پایهٔ یک یون آلومینیوم به دام افتاده (Al⁺) کار می‌کند. این ساعت به عدم قطعیت فرکانس کسری فقط ۵٫۵ در ۱۰ به توان منفی ۱۹ دست یافته است؛ یعنی خطای آن در اندازه‌گیری زمان به‌قدری ناچیز است که در طول عمر کل جهان، حتی یک ثانیه هم جلو یا عقب نمی‌افتد. همچنین این ساعت پایداری بسیار بالایی دارد که برای کاربردهای عملی بسیار حیاتی است و به پایداری فرکانس کسری ۳٫۵ در ۱۰ به توان منفی ۱۶ تقسیم بر ریشهٔ زمان اندازه‌گیری (√𝜏) رسیده است.
در قلب این فناوری، تکنیکی به نام طیف‌سنجی منطق کوانتومی (Quantum Logic Spectroscopy) به کار گرفته شده است — روشی هوشمندانه که حدود ۲۰ سال پیش پیشنهاد شد و امکان اندازه‌گیری «تیک»های دقیق یون را حتی در مواردی که مستقیماً با لیزر قابل پروب نیست، فراهم می‌کند. یون آلومینیوم به دلیل گذار داخلی خاصی که دارد (تغییر میان دو سطح انرژی کوانتومی) برای زمان‌سنجی فوق دقیق بسیار ایده‌آل است، چون بسیار نسبت به عوامل محیطی مانند دما یا میدان مغناطیسی حساسیت کمی دارد.
اما مشکل اینجاست که آلومینیوم به‌تنهایی به‌سختی با لیزر خنک و آشکارسازی می‌شود. برای حل این مشکل، تیم پژوهشی یون آلومینیوم را با یک یون منیزیم به‌طور همزمان به دام می‌اندازد. یون منیزیم به‌راحتی با لیزر خنک می‌شود و با یون آلومینیوم جفت می‌شود. این سیستم «همکاری» یون‌ها باعث می‌شود یون منیزیم به‌طور همدلانه یون آلومینیوم را خنک کند و اضافه‌حرکت‌های آن را کاهش دهد تا سیگنال ساعت شفاف‌تر شود. همچنین وضعیت کوانتومی یون آلومینیوم از طریق حرکت مشترک این دو یون به صورت غیرمستقیم خوانده می‌شود.
برای دستیابی به این سطح رکوردی از دقت، محققان هر بخش از سیستم فیزیکی ساعت را بهینه‌سازی کردند. آنها تله یونی – دستگاهی که از میدان‌های الکتریکی برای تقریباً بی‌حرکت نگه داشتن یون‌ها استفاده می‌کند – را دوباره طراحی کردند.؛ نسخه‌های قبلی مشکل میکروحرکت اضافی داشتند — ارتعاشات ناخواستهٔ کوچکی که باعث جابه‌جایی فرکانس ساعت می‌شد. با اصلاح الکترودها، ضخیم‌تر کردن پوشش‌های طلایی و نصب تله روی صفحه الماس، میدان‌های الکتریکی مزاحم که موجب این ارتعاشات می‌شدند به حداقل رسیدند.
همچنین سیستم خلأ نیز بازطراحی شد؛ اتاقک خلأ فولادی قبلی اجازه می‌داد که هیدروژن باقیمانده به یون‌ها برخورد کند و اندازه‌گیری‌ها را مختل کند. با بازسازی اتاقک خلأ با تیتانیوم، مقدار گاز هیدروژن پس‌زمینه ۱۵۰ برابر کاهش یافت و فاصلهٔ زمانی مورد نیاز برای بارگذاری مجدد یون‌ها از ۳۰ دقیقه به چند روز افزایش یافت.
یک پیشرفت کلیدی دیگر در لیزر ساعت رخ داد — لیزری با پایداری فوق‌العاده بالا که برای پروب کردن گذار ساعت استفاده می‌شود. حتی نوسانات بسیار کوچک در فرکانس لیزر می‌تواند اندازه‌گیری را تار کند. تیم NIST با همکاری آزمایشگاه جون یه (Jun Ye) در موسسه JILA، که پایدارترین لیزرهای جهان را دارد، پایداری لیزر را با استفاده از فیبر نوری به مسافت ۳٫۶ کیلومتر به ساعت آلومینیوم منتقل کردند. این امکان پروب کردن یون‌ها به مدت یک ثانیه کامل را فراهم کرد (در مقایسه با رکورد قبلی ۱۵۰ میلی‌ثانیه) که باعث سه برابر شدن پایداری و کاهش زمان لازم برای رسیدن به دقت تا ۱۹ رقم اعشار از چند هفته به فقط چند روز شد.
ساختار جدید ساعت همچنین شامل اندازه‌گیری حساس به جهت میدان مغناطیسی AC تولیدشده توسط تله RF بود تا عدم قطعیت سیستماتیک ناشی از جهت‌گیری میدان کاهش یابد.
این ساعت نوری آلومینیوم نه‌تنها دقیق‌ترین ساعت جهان است بلکه به‌طور مستقیم به تلاش بین‌المللی برای بازتعریف ثانیه بر پایهٔ ساعت‌های نوری کمک می‌کند — ساعت‌هایی که از ساعت‌های مایکروویوی مبتنی بر سزیم بسیار دقیق‌ترند. این پیشرفت راه را برای کاربردهای نو در ژئودزی (اندازه‌گیری دقیق تفاوت‌های گرانشی زمین) و آزمون‌های فیزیک بنیادی، مانند بررسی تغییرپذیری احتمالی ثوابت بنیادی طبیعت، هموار می‌کند.
علاوه بر این، این معماری مبتنی بر منطق کوانتومی بستری آزمایشگاهی برای اطلاعات کوانتومی فراهم می‌کند و تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند درهم‌تنیدگی و تصحیح خطای کوانتومی را در عمل نشان می‌دهد. پژوهشگران NIST با این بستر به دنبال گسترش به یون‌های بیشتر و بهبود توانایی اندازه‌گیری خواهند بود — دستاوردی که می‌تواند درک ما از زمان و جهان را دگرگون کند.
منابع:
[1] https://www.nist.gov/news-events/news/2025/07/nist-ion-clock-sets-new-record-most-accurate-clock-world
[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
