Bilim insanları, şimdiye kadar yapılmış en hassas atom saatlerinden birini geliştirdi. Bu çığır açıcı saat, zamanın kendisini tanımlamak için referans olarak kullanılacak.
NIST-F4 adı verilen bu atom saati, sezyum atomlarının mikrodalga ışınları altındaki yükseliş ve düşüş hareketlerine dayanıyor. Saati geliştiren araştırmacılara göre, NIST-F4 o kadar güvenilir ki, eğer 100 milyon yıl önce, yani dinozorlar döneminde çalışmaya başlamış olsaydı, bugün sadece bir saniyeden daha az bir farkla çalışıyor olurdu.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) bünyesindeki bilim insanları tarafından geliştirilen saatin detayları, Metrologia dergisinde yayınlandı. Küresel zaman ölçüm sistemi olan Eşgüdümlü Evrensel Zamanı (UTC) tanımlayan yaklaşık 450 diğer saat arasına katılması beklenen NIST-F4'ün Nisan 2025 itibarıyla faaliyete geçmesi planlanıyor.
NIST Zaman ve Frekans Bölümü yetkilileri, zaman sinyallerinin hayatımızda ne kadar yaygın kullanıldığını belirtiyor. Saat ve kronometre ayarlamalarından, yüz milyarlarca dolarlık elektronik finansal işlemlerin doğru zaman damgalanmasına kadar her şey için günde milyarlarca kez zaman sinyalleri kullanılıyor.
Daha hassas zaman ölçümüne olan artan ihtiyaç, bilim insanlarını sürekli olarak daha iyi referans saatler geliştirmeye teşvik ediyor. Günlük kullandığımız saatlerin aksine, bu referans cihazlar atomların titreşimlerinden faydalanan atom saatleridir.
NIST-F4, bir "fountain clock" (fıskiye saati) türüdür. Lazerler kullanılarak mutlak sıfıra yakın sıcaklığa soğutulmuş binlerce sezyum atomu içerir. Atomlar, bir çift lazer ışını ile yukarı doğru fırlatılır, ardından mikrodalga ışınından geçerken kendi ağırlıkları altında düşer. Mikrodalga, atomların salınım yapmasını sağlayacak şekilde ayarlanmıştır.
Bu frekansı saymak (saniyede 9,192,631,770 kez gerçekleşir), bilim insanlarının uluslararası saniyeyi hassas bir şekilde tanımlamasını sağlar.
Ancak asıl zorluk, NIST-F4'ün güvenilirliğini sağlamaktı. Bilim insanları, sezyum atomlarının titreşimlerini etkileyebilecek en küçük gürültü kaynaklarını bile hesaplamak zorunda kaldılar. Bunlara diğer atomlarla kuantum çapraz etkileşimler, mikrodalga sızıntısı, lazerlerin oluşturduğu elektromanyetik alanlardaki bozulmalar gibi faktörler dahildi.
Ekip, bu ince ayarlamaları 2020'de, kurumun ilk fıskiye saati NIST-F1'in bakıma alınmasından dört yıl sonra yapmaya başladı. Bu çalışma, saatin çekirdeğindeki mikrodalga boşluğunun sıfırdan yeniden inşasını içeriyordu.
Araştırmacılar, "NIST-F4 gibi bir fıskiye saatini değerlendirmek yavaş bir süreçtir. Çok dikkatli olmalıyız. Onunla ilgili her şeyi bilmeliyiz." şeklinde konuştu.
Sonuç, toplam sistematik belirsizliği 2.2×10⁻¹⁶ olan bir saattir. Bu hassasiyet, saatin 140 milyon yılda bir saniyeden daha az bir sapma yapması anlamına gelir. Bu son derece küçük sapma, kuantum ölçümlerinde doğuştan gelen rastgelelikten kaynaklanan gürültünün bir ürünüdür. Bilim insanları, daha iyi osilatörler ve gelişmiş lazer soğutma ile bu faktörün azaltılabileceğini belirtiyor.
NIST-F4, önceki saat NIST-F3 ile birlikte çalışacak. Yeni saat zamanın yaklaşık %90'ında faaliyette olacak ve her an saatlerden en az biri çalışır durumda olacak. Her iki saatten gelen veriler periyodik olarak BIPM'ye (Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu) gönderilerek UTC'nin kalibrasyonu sağlanacak ve dünyanın zaman işleyişinin düzenli kalması sağlanacak.
