Jakarta: Para fisikawan berhasil membangun jam yang bekerja bukan berdasarkan osilasi elektron, melainkan perubahan energi bolak-balik pada inti atom menggunakan atom torium-229. Pencapaian ini makin menarik karena berhasil dicapai oleh dua tim ilmuwan independen secara terpisah, yaitu di Eropa dan Tiongkok.
Melansir laman sciencealert.com, kedua tim telah memaparkan hasil kerja monumental mereka dalam bentuk pracetak (preprint) di arXiv. Tim yang dipimpin oleh fisikawan Luca Toscani De Col dari Technical University of Vienna menulis sistem yang mereka kembangkan merupakan implementasi pertama jam nuklir yang beroperasi sebagai perangkat mandiri (stand-alone).
Jam atom, yang pertama kali dibuat pada tahun 1950-an, mampu menjaga ketepatan waktu sedemikian presisi sehingga tidak akan kehilangan satu detik pun selama miliaran tahun.
Jam atom mengukur waktu berdasarkan "detak" presisi elektron saat berpindah antar tingkat energi ketika dirangsang oleh laser. Jam nuklir, yang pertama kali diusulkan pada tahun 2003, akan mengukur waktu dengan melacak perubahan energi pada inti atom itu sendiri.
Mewujudkan hal ini ternyata jauh lebih sulit karena transisi nuklir umumnya membutuhkan energi yang jauh lebih besar dibandingkan transisi elektron, sehingga berada di luar jangkauan sebagian besar teknologi laser yang ada.
Namun, ada alasan kuat untuk tetap mengembangkan teknologi jam nuklir ini. Elektron berada di wilayah terluar suatu atom, sehingga elektron, dan jam atom yang mengandalkannya, lebih rentan terhadap pengaruh dari lingkungan sekitarnya.
Sebaliknya, inti atom terletak jauh di pusat atom dan jauh lebih tidak terpengaruh oleh gangguan dari luar.
Secara teori, hal ini dapat membuat jam nuklir lebih stabil dibandingkan jam atom yang ada saat ini, sekaligus menjadikannya alat yang ampuh untuk meneliti fenomena seperti materi gelap (dark matter) dan kemungkinan perubahan pada konstanta-konstanta fundamental alam semesta.
Torium-229, sebagaimana dijelaskan dalam makalah tahun 2003 tersebut, merupakan target yang sangat ideal untuk teknologi ini karena memiliki tingkat transisi energi yang sangat rendah, sehingga berada dalam jangkauan teknik spektroskopi laser presisi.
Pada tahun 2024, para peneliti di Austria dan Jerman mencatat beberapa terobosan, yaitu berhasil memicu transisi energi pada torium-229, kemudian membuatnya "berdetak".
Langkah selanjutnya adalah mengembangkan detak tersebut menjadi sebuah jam sungguhan yang dapat benar-benar menjaga ketepatan waktu. Dan inilah yang telah berhasil dicapai oleh kedua tim peneliti tersebut.
Kedua tim membangun jam mereka menggunakan inti torium-229 yang ditanamkan dalam kristal kalsium fluorida, kemudian disinari dengan cahaya laser ultraviolet-vakum. Namun, dari titik ini pendekatan keduanya mulai berbeda.
Perangkat milik tim Eropa beroperasi sebagai jam mandiri yang utuh, memanfaatkan inti torium untuk menstabilkan frekuensi laser secara berkelanjutan. Para peneliti membandingkan jam mereka dengan jam atom iterbium yang sudah mapan, dan berhasil menunjukkan operasi serta stabilitas jangka panjang.
Mereka juga menggunakan jam tersebut untuk mencari tanda-tanda materi gelap ultra-ringan (ultralight dark matter) yang bersifat hipotetis, sekaligus menetapkan batasan baru bagi beberapa model yang diajukan sebelumnya.
Tim tersebut menjelaskan berkat sensitivitas tinggi dari transisi torium-229, batasan-batasan yang mereka peroleh setara dengan jam atom terbaik dalam hal keterkaitan materi gelap dengan foton, bahkan melampaui pengukuran sebelumnya terkait keterkaitannya dengan gaya kuat (strong force) dan kuark.
Sementara itu, tim Tiongkok yang dipimpin oleh fisikawan Beichen Huang dari Universitas Tsinghua memiliki fokus yang sedikit berbeda. Mereka menguji jam buatan mereka pada dua kristal yang diproduksi secara independen untuk memastikan konsistensi detaknya.
Hasilnya, kedua jam tersebut menghasilkan frekuensi yang hampir identik, sehingga berhasil mengatasi salah satu tantangan utama dalam pengembangan jam nuklir berbasis padatan (solid-state). Sebab, jika lingkungan kristal menyebabkan perubahan frekuensi nuklir secara tidak terduga, maka setiap perangkat akan membutuhkan kalibrasinya sendiri-sendiri.
Namun, kesesuaian hasil yang erat ini justru menunjukkan jam nuklir berpotensi menjadi standar yang dapat direproduksi secara konsisten, bukan sekadar demonstrasi laboratorium yang bersifat satu kali.
Tim Tiongkok menulis dengan menjadikan inti atom yang disinari laser sebagai sebuah referensi jam yang operasional, penelitian ini memperluas cakupan metrologi kuantum dari transisi elektronik ke transisi nuklir, sekaligus membuka platform baru bagi jam berukuran ringkas, sensor kuantum nuklir berbasis padatan, dan pengujian presisi terhadap fisika fundamental.
Perangkat-perangkat baru ini memang belum mampu mengungguli kinerja jam atom terbaik yang ada saat ini, yang sejujurnya telah memiliki keunggulan waktu pengembangan selama 70 tahun. Namun, keduanya membuktikan jam nuklir bukan lagi sekadar impian teoretis semata.
Jam nuklir terbukti dapat benar-benar berfungsi di dunia nyata. Apabila prediksi fisikawan Technical University of Vienna, Thorsten Schumm, pada tahun 2024 terbukti benar, jam nuklir bahkan berpotensi melampaui jam atom terbaik yang ada saat ini hanya dalam beberapa tahun ke depan.
Jadikan Medcom.id sumber informasi pilihan Anda
FOLLOW US
Ikuti media sosial medcom.id dan dapatkan berbagai keuntungan
