أفضل ساعة على الإطلاق: أداة ضبط الوقت المعتمدة على ذرات اللوتيتيوم تبهر الباحثين

كشف الفيزيائيون عن الساعة الأكثر دقة في العالم، وهي ساعة موثوقة للغاية لدرجة أن فقدان ثانية واحدة قد يستغرق أكثر من 260 مليار سنة.

تُستخدم الساعات الدقيقة في كل شيء بدءًا من الملاحة عبر الأقمار الصناعية وحتى البحث عن المادة المظلمة. تفتح الساعات الأكثر دقة فرصًا جديدة، مثل رسم خرائط للتغيرات في جاذبية الأرض بدقة رائعة، ويمكن أن تشكل أساسًا لتعريف جديد للثانية.

الساعة المعتمدة على المختبر¹، التي صنعها باحثون في جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) باستخدام اللوتيتيوم المعدني الأرضي النادر، أكثر دقة بأربع مرات من أفضل ساعة سابقة²، والتي كانت تعتمد على أيونات الكالسيوم.

الجهاز عبارة عن ساعة ذرية “بصرية”، تستمد الوقت باستخدام تردد الضوء المرئي الذي يمتص فيه العنصر الإشعاع ويصدره. إن دقتها «مثيرة للإعجاب»، كما يقول ديفيد ليبرانت، الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، الذي يعمل على ساعات فائقة الدقة. ويضيف أن الأمر الأكثر أهمية هو أن الفريق قام بمقارنة مخرجات ساعاتهم للتحقق من دقتها.

يقول الباحثون الذين يعملون على ساعة اللوتيتيوم أيضًا إنها قوية بما يكفي بحيث يأملون أن يتمكنوا من تصغيرها وفي النهاية أخرجه من المختبر. الإنجاز، نشر¹ في طبيعة يقول موراي باريت، الفيزيائي في جامعة سنغافورة الوطنية، الذي قاد الفريق، إن هذا الاكتشاف هو نتيجة أكثر من عشر سنوات من العمل. ويقول إن العلماء يشعرون بالابتهاج “بما حققناه، ويتوقون إلى رؤية ما سيحمله المستقبل”.

على الطريق

تعمل الساعة من خلال الاستفادة من خاصية طبيعية وثابتة لأيونات اللوتيتيوم: تردد الضوء الذي يؤدي إلى انتقال الإلكترون إلى حالة “مثارة” ذات طاقة أعلى. من خلال المراقبة المستمرة لأيون واحد، قام الباحثون بربط ضوء الليزر بالتردد الدقيق الذي يؤدي إلى التحول، ثم استخدموا تذبذبات الليزر كعلامات لتحديد الوقت.

لم يكتف الباحثون بحساب تقديراتهم لدقة الساعة فحسب، بل تحققوا منها من خلال مقارنة ساعتي اللوتيتيوم مع بعضهما البعض، وهو أمر ضروري للثقة في مخرجات الجهاز. “إذا كان لديك ساعة واحدة فقط، فكيف تعرف أنها دقيقة؟” يقول باريت. تطابقت دقات الساعتين مع الرقم التاسع عشر، والذي يقول الفريق إنه أدق مقارنة للساعة على الإطلاق.

يعتقد فريق NUS أنه المجموعة الوحيدة في العالم التي تصنع الساعات من اللوتيتيوم. يقول كايل أرنولد، عالم الفيزياء في جامعة سنغافورة الوطنية، إن خصائص العنصر “مناسبة تمامًا” لهذا العمل. بالمقارنة مع بعض الذرات المستخدمة غالبًا لصنع الساعات الذرية – مثل الإيتربيوم والسترونتيوم – فإن اللوتيتيوم أقل حساسية بكثير للتقلبات في درجات الحرارة والمجالات المغناطيسية. يمكن لهذه العوامل البيئية أن تحفز وتيرة التحول وتؤثر على دقة الساعات. تتطلب ساعة اللوتيتيوم تكنولوجيا الليزر المتوفرة تجاريًا فقط وتعمل في درجة حرارة الغرفة.

يقول أرنولد: “أعتقد أن اللوتيتيوم سيكون له دور رائد في ضبط الوقت بدقة في المستقبل، وآمل أن يجلب هذا تقديرًا أوسع لمزاياه بالنسبة للساعات البصرية”.