Näin Singaporen lutetium-atomikello ylsi 10⁻¹⁹:n tarkkuusluokkaan

Atomikellon tarkkuus riippuu siitä, kuinka luotettava sen käyttämä taajuus on. Singaporen Centre for Quantum Technologies -tutkimuskeskuksessa Murray Barrettin ryhmä on kehittänyt optisen lutetiumkellon, jonka raportoitu suhteellinen taajuusepävarmuus on noin 1 × 10⁻¹⁹. Ryhmä pitää 23.9.2026 Nature-lehdessä julkaistua tulosta optiselle atomikellolle tähän mennessä tarkimpana raportoituna.306

Yksi ioni, monta hallittavaa häiriötä

Kellon taajuusviitteenä toimii yksi sähköisesti varautunut lutetium-176-ioni. Sen atomitilojen välistä siirtymää tutkitaan laserilla, jonka aallonpituus on 848 nanometriä. Optinen taajuus tarjoaa hienojakoisen perustan ajan mittaamiselle, mutta ei yksin takaa tarkkuutta: esimerkiksi sähkömagneettiset kentät ja lämpösäteily voivat siirtää mitattavaa taajuutta.72521

Barrettin ryhmä hahmotteli jo vuonna 2015 ratkaisuksi hyperhienorakenteen keskiarvoistamisen. Siinä kellon taajuutta määritettäessä yhdistetään mittauksia useista atomien toisiinsa liittyvistä sisäisistä tiloista. Näin osa tilasta riippuvista taajuussiirtymistä kumoutuu. Ryhmä osoitti menetelmän toimivan myöhemmin usean ionin lutetiumkellossa.29152

Muitakin häiriöitä oli käsiteltävä erikseen. Vuonna 2019 tutkijat mittasivat ja vaimensivat kolmen ionin kellossa ionien välisiä taajuuseroja, joihin liittyi muun muassa sähköisiä kvadrupolivaikutuksia. Myös lämpösäteilyn ja sähkökentän vaihtelun vaikutuksia lutetiumiin on tutkittu. Tulos ei siis tarkoita, ettei ympäristö vaikuttaisi kelloon lainkaan, vaan että vaikutukset täytyy tunnistaa ja ottaa huomioon.1821

Miksi ennätyksestä kerrotaan kahdella luvulla?

Noin 1 × 10⁻¹⁹ kuvaa kellon taajuusviitteelle raportoitua suhteellista epävarmuutta. Tutkijat vertasivat myös kahta toisistaan riippumatta rakennettua yhden ionin kelloa ja raportoivat vertailun epävarmuudeksi 5,7 × 10⁻¹⁹. Vertailu kertoo, ovatko kellot keskenään sopusoinnussa; suurempi luku ei ole toinen ilmaus yksittäisen kellon tarkkuudelle.6524

Ryhmä on käyttänyt lutetiumviitteiden vertailussa korrelaatiospektroskopiaa, jolla voidaan vähentää mittauksessa käytettävän laserin kohinan vaikutusta ja erottaa kellon taajuuksien pieni ero. Menetelmä ei kuitenkaan yksin paljasta virhettä, joka vaikuttaisi molempiin kelloihin samalla tavalla. Tulosta koskevassa kysymyksessä mainitaan 200 tunnin vertailu, mutta käytettävissä olevat lähdeotteet eivät itsenäisesti vahvista sen kestoa tai koko epävarmuusarviota.2628

Entä väite, että kello edistäisi tai jätättäisi alle sekunnin yli 260 miljardissa vuodessa? Se on havainnollistava laskelma, ei näin pitkä koe. Jos suhteellinen virhe pysyisi jatkuvasti arvossa 1 × 10⁻¹⁹, yksi sekunti kertyisi laskennallisesti noin 317 miljardissa vuodessa. Arvolla 1,2 × 10⁻¹⁹ tulos olisi noin 264 miljardia vuotta. Eri kuvauksissa esiintyy molempia epävarmuuslukuja, joten vertaus riippuu käytetystä arvosta.64

Mitä tarkkuus mahdollistaa?

Tulos voi auttaa arvioimaan, miten sekunti voitaisiin tulevaisuudessa määritellä optisen taajuuden avulla. Yhden laboratorion saavutus ei silti yksin osoita, että sama tarkkuus toistuu eri laboratorioissa, eikä ratkaise, mikä atomisiirtymä mahdolliseksi standardiksi valittaisiin. Käytettävissä olevat lähteet eivät myöskään vahvista virallista aikataulua määritelmän muuttamiselle.3024

Näin tarkalla tasolla myös kellon sijainti vaikuttaa vertailuun: lähellä Maan pintaa jo millimetrin korkeusero vastaa noin 1,1 × 10⁻¹⁹:n suhteellista gravitaatiosta johtuvaa taajuuseroa. Eri paikoissa olevia kelloja verrattaessa on siksi tunnettava niiden välinen gravitaatiopotentiaalin ero. Jos kellosta tehdään siirrettävä, ionin, laserin ja ympäristön aiheuttamat muutokset on lisäksi hallittava ja kellon epävarmuus osoitettava uudelleen siirron jälkeen.521