नई लुटेटियम परमाणु घड़ी ने वैश्विक सटीकता रिकॉर्ड तोड़ा: सिस्टम अनिश्चितता घटकर 1.2×10⁻¹⁹ हो गई

सार:

नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ़ सिंगापुर के क्वांटम टेक्नोलॉजी सेंटर के शोधकर्ताओं ने हाल ही में परमाणु घड़ियों के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति की घोषणा की। उन्होंने एक नए प्रकार की ऑप्टिकल परमाणु घड़ी बनाने के लिए दुर्लभ पृथ्वी तत्व ल्यूटेटियम का उपयोग किया, और एक ही प्रकार की दो परमाणु घड़ियों के बीच सटीक तुलना के माध्यम से, सिस्टम अनिश्चितता को 1.2×10⁻¹⁹ तक कम कर दिया गया। अनुसंधान टीम का मानना ​​है कि यह परिणाम ल्यूटेटियम परमाणु घड़ी को वर्तमान में उपलब्ध सबसे सटीक टाइमकीपिंग उपकरणों में से एक बनाता है, और भविष्य में अंतर्राष्ट्रीय इकाइयों की प्रणाली में "दूसरी" को फिर से परिभाषित करने के लिए एक उम्मीदवार तकनीक बनने की उम्मीद है।

यह अध्ययन तब आया है जब वैश्विक मेट्रोलॉजी समुदाय इस बात पर विचार कर रहा है कि क्या "दूसरे" की मूल परिभाषा को फिर से परिभाषित करने की आवश्यकता है। वर्तमान अंतर्राष्ट्रीय इकाई प्रणाली में एक सेकंड को सीज़ियम-133 परमाणु की जमीनी अवस्था के दो अति सूक्ष्म ऊर्जा स्तरों के बीच संक्रमण आवृत्ति के आधार पर परिभाषित किया गया है, जो कि 9192631770 विशिष्ट माइक्रोवेव संक्रमण है। 1960 के दशक से सीज़ियम परमाणु घड़ियों की मुख्य सामग्री रही है, लेकिन ऑप्टिकल परमाणु घड़ी प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास के साथ, स्ट्रोंटियम, येटरबियम और कैल्शियम जैसे तत्वों का उपयोग करके बनाई गई परमाणु घड़ियों की अगली पीढ़ी पारंपरिक सीज़ियम परमाणु घड़ियों की तुलना में बहुत अधिक सटीकता प्राप्त करने में सक्षम है।

ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों का मूल सिद्धांत परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए लेजर का उपयोग करना है, जिससे इलेक्ट्रॉनों को दो क्वांटम राज्यों के बीच संक्रमण होता है, और इस संक्रमण की आवृत्ति को मापकर समय को मापना होता है। इलेक्ट्रॉनों के क्वांटम संक्रमण को एक अत्यंत स्थिर "पेंडुलम" के रूप में समझा जा सकता है। जब तक इस स्विंग को पर्याप्त रूप से नियंत्रित और सटीक रूप से मापा जा सकता है, एक असाधारण सटीक समय आधार प्राप्त किया जा सकता है।

लुटेटियम शोधकर्ताओं के लिए रुचिकर है क्योंकि इस तत्व में कुछ गुण हैं जो इसे उच्च परिशुद्धता वाली परमाणु घड़ियों के निर्माण के लिए आदर्श बनाते हैं। ल्यूटेटियम बड़े परमाणु द्रव्यमान वाला एक लैंथेनाइड तत्व है और इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना इसे पर्यावरणीय कारकों से अपेक्षाकृत कम प्रभावित करती है। विशेष रूप से, यह थर्मल विकिरण और चुंबकीय क्षेत्र परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील नहीं है, इसलिए यह समय प्रक्रिया में पर्यावरणीय कारकों के कारण होने वाली व्यवस्थित त्रुटियों को कम कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने कहा कि ल्यूटेटियम परमाणु घड़ी की इस विशेषता का मतलब है कि भले ही परिवेश का तापमान महत्वपूर्ण रूप से बदलता है या चुंबकीय क्षेत्र की स्थिति बदलती है, परमाणु घड़ी अभी भी अपेक्षाकृत स्थिर समय प्रदर्शन बनाए रख सकती है। शोध दल के नेता और नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ सिंगापुर के भौतिक विज्ञानी मरे बैरेट ने यहां तक ​​कहा कि अगर इस परमाणु घड़ी को संयुक्त राज्य अमेरिका में डेथ वैली जैसे अत्यधिक उच्च तापमान वाले वातावरण से अंटार्कटिक पठार जैसे बेहद कम तापमान वाले वातावरण में लाया जाता है, तो यह अभी भी बहुत उच्च स्थिरता बनाए रख सकती है।

लुटेटियम का एक बहुत ही महत्वपूर्ण लाभ भी है, यानी, इसकी संबंधित परमाणु संक्रमण आवृत्ति बहुत अधिक है, सीज़ियम परमाणु घड़ियों द्वारा उपयोग की जाने वाली आवृत्ति का लगभग 10,000 गुना। उच्च "टिक" आवृत्ति का मतलब है कि प्रति इकाई समय में अधिक माप चक्र प्राप्त किए जा सकते हैं, इस प्रकार अत्यधिक उच्च-सटीक समय माप के लिए आधार प्रदान किया जाता है।

हालाँकि, ल्यूटेटियम भी पृथ्वी पर सबसे दुर्लभ दुर्लभ पृथ्वी तत्वों में से एक है, और यह अपेक्षाकृत कम अध्ययन किया गया तत्व भी है। इसका मतलब यह है कि यद्यपि सैद्धांतिक रूप से यह परमाणु घड़ी सामग्री के रूप में उपयुक्त है, वैज्ञानिक पूरी तरह से यह नहीं समझ पाए हैं कि लुटेटियम परमाणु वास्तव में उच्च-सटीक टाइमकीपिंग वातावरण में कैसे व्यवहार करते हैं।

मरे बैरेट की टीम लगभग 10 वर्षों से ल्यूटेटियम परमाणु घड़ियों पर काम कर रही है। नवीनतम प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने दो ल्यूटेटियम आयन परमाणु घड़ियाँ बनाईं और सख्त मेट्रोलॉजिकल मानकों के अनुसार उनकी एक दूसरे से तुलना की। वर्षों के संचित प्रयोगात्मक डेटा और ल्यूटेटियम आयनों की विशेषताओं पर गहन शोध के माध्यम से, टीम ने अंततः सिस्टम अनिश्चितता को 1.2×10⁻¹⁹ तक कम कर दिया।

यह संख्या व्यवस्थित त्रुटि के पैमाने का प्रतिनिधित्व करती है जो एक परमाणु घड़ी में अपनी आवृत्ति को मापते समय हो सकती है। यह समझने के लिए कि यह सटीकता कितनी अधिक है, इसे समय की प्रति 10¹⁹ इकाइयों में अनिश्चितता के एक छोटे अंश के रूप में सोचें। इससे पहले, चीनी विज्ञान अकादमी के शोधकर्ताओं ने इस वर्ष 4.4×10⁻¹⁹ की प्रणाली अनिश्चितता प्राप्त करने के लिए कैल्शियम आयन परमाणु घड़ियों का उपयोग किया था, इसलिए सिंगापुर की टीम द्वारा घोषित 1.2×10⁻¹⁹ ने इस संकेतक को और ताज़ा कर दिया।

हालाँकि, परमाणु घड़ियों की सटीकता मापना भी एक बेहद मुश्किल काम है। इस स्तर पर पहुंचने के बाद पृथ्वी के अपने गुरुत्वाकर्षण में अंतर को भी नजरअंदाज नहीं किया जा सकेगा। सामान्य सापेक्षता के अनुसार, गुरुत्वाकर्षण बल जितना मजबूत होगा, समय उतना ही धीमी गति से गुजरेगा। परिशुद्धता के इस स्तर पर, दो परमाणु घड़ियों के बीच केवल कुछ मिलीमीटर की ऊंचाई का अंतर भी पृथ्वी के कोर से उनकी अलग-अलग दूरी के कारण प्रयोगात्मक परिणामों को प्रभावित करने के लिए पर्याप्त समय अंतर पैदा कर सकता है।

दूसरे शब्दों में, जब वैज्ञानिक एक सेकंड को खरबों या उससे अधिक बेहद छोटे समय के टुकड़ों में काटते हैं, तो पृथ्वी की सतह पर विभिन्न स्थानों के बीच बेहद कमजोर गुरुत्वाकर्षण अंतर प्रयोग में महत्वपूर्ण चर बन सकते हैं। इसलिए, परमाणु घड़ी प्रयोगशाला को न केवल तापमान, चुंबकीय क्षेत्र, लेजर आदि जैसी स्थितियों को नियंत्रित करने की आवश्यकता है, बल्कि दो घड़ियों की स्थिति और ऊंचाई को भी बेहद सटीक रूप से मापना होगा।

और यह अविश्वसनीय संवेदनशीलता अगली पीढ़ी की परमाणु घड़ियों के सबसे महत्वपूर्ण वैज्ञानिक मूल्यों में से एक है। चूँकि समय गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों से प्रभावित होता है, यदि परमाणु घड़ियाँ पर्याप्त सटीक हों, तो वैज्ञानिक विभिन्न स्थानों पर समय में परिवर्तन की तुलना करके गुरुत्वाकर्षण में बेहद छोटे अंतर को भी माप सकते हैं। इस क्षमता का उपयोग भविष्य में सटीक पृथ्वी माप के लिए किया जा सकता है, जैसे कि भूमिगत संरचनाओं, भूवैज्ञानिक परिवर्तनों और पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में सूक्ष्म परिवर्तनों का अध्ययन करना।

अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि अत्यंत उच्च परिशुद्धता वाली परमाणु घड़ियों का उपयोग बुनियादी भौतिकी अनुसंधान में भी किया जा सकता है। वैज्ञानिकों को उम्मीद है कि इन उपकरणों का उपयोग सामान्य सापेक्षता और क्वांटम यांत्रिकी के बीच अनसुलझे विरोधाभासों की खोज करने और मानक मॉडल से परे नई भौतिकी का पता लगाने के लिए किया जाएगा। उदाहरण के लिए, यदि प्रकृति में मूलभूत स्थिरांक समझे जाने वाले कुछ पैरामीटर वास्तव में समय या वातावरण के साथ बहुत कम बदलते हैं, तो एक पर्याप्त सटीक परमाणु घड़ी इस विसंगति को पकड़ने में सक्षम हो सकती है।

साथ ही, नई ऑप्टिकल परमाणु घड़ियाँ भी अंतर्राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी प्रणाली में बदलाव को बढ़ावा दे रही हैं। चूंकि स्ट्रोंटियम, येटरबियम, एल्यूमीनियम आयन, कैल्शियम आयन और ल्यूटेटियम जैसी विभिन्न परमाणु घड़ियाँ सटीकता के रिकॉर्ड स्थापित करना जारी रखती हैं, अंतर्राष्ट्रीय वैज्ञानिक समुदाय अध्ययन कर रहा है कि क्या सीज़ियम परमाणुओं के माइक्रोवेव संक्रमण के आधार पर "सेकंड" की वर्तमान परिभाषा को भविष्य में ऑप्टिकल आवृत्ति मानकों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए।

पारंपरिक सीज़ियम परमाणु घड़ियों की तुलना में, ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों की ऑपरेटिंग आवृत्ति कई गुना अधिक होती है, इसलिए सिद्धांत रूप में यह अधिक सटीक समय संदर्भ प्रदान कर सकती है। यदि अंतर्राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी समुदाय भविष्य में "दूसरे" को फिर से परिभाषित करने का निर्णय लेता है, तो ये ऑप्टिकल परमाणु घड़ियाँ महत्वपूर्ण उम्मीदवार प्रौद्योगिकियाँ बन जाएंगी।

सिंगापुर की टीम का मानना ​​है कि ल्यूटेटियम परमाणु घड़ी में विशेष क्षमता है क्योंकि यह न केवल अत्यधिक उच्च सटीकता प्राप्त कर सकती है, बल्कि बाहरी वातावरण में परिवर्तनों के प्रति अपेक्षाकृत कम संवेदनशील भी है, जिसका अर्थ है कि भविष्य में अधिक स्थिर और व्यावहारिक उच्च-सटीक समय प्रणाली बनाना संभव है।

बेशक, 1.2×10⁻¹⁹ अभी भी प्रयोगशाला स्थितियों के तहत प्राप्त प्रणाली अनिश्चितता है, और इसका मतलब यह नहीं है कि यह परमाणु घड़ी किसी भी वातावरण में बिल्कुल वही प्रदर्शन बनाए रख सकती है। शोधकर्ताओं को इस रिकॉर्ड की और पुष्टि करने और संभावित व्यवस्थित त्रुटियों को कम करने के लिए विभिन्न परिस्थितियों में अधिक माप और क्रॉस-सत्यापन करने की भी आवश्यकता है।

शोध टीम का मानना ​​है कि जैसे-जैसे प्रयोग जारी रहेगा, ल्यूटेटियम परमाणु घड़ी की सटीकता में और सुधार की गुंजाइश है। टीम लीडर मरे बैरेट का यहां तक ​​मानना ​​है कि मौजूदा तकनीकी मार्ग को देखते हुए, ऐसा समाधान ढूंढना मुश्किल होगा जो भविष्य में इस वास्तुकला को आसानी से पार कर सके।

यह शोध नेचर जर्नल में प्रकाशित हुआ है। यदि बाद के प्रयोग ल्यूटेटियम परमाणु घड़ी के प्रदर्शन को और अधिक सत्यापित कर सकते हैं, तो यह न केवल अगली पीढ़ी के वैश्विक समय बेंचमार्क के लिए एक महत्वपूर्ण उम्मीदवार बन सकता है, बल्कि गुरुत्वाकर्षण, डार्क मैटर और बुनियादी भौतिक कानूनों के अध्ययन के लिए एक नया उपकरण भी बन सकता है। दूसरे शब्दों में, यह उपकरण जो "समय को अधिक सटीक रूप से रखने" जैसा प्रतीत होता है, वास्तव में ब्रह्मांड के बुनियादी नियमों को अभूतपूर्व पैमाने पर मापने की मानवता की क्षमता को आगे बढ़ा रहा है।