Bagaimana Jam Atom Lutetium di Singapura Mencapai Ketidakpastian 10⁻¹⁹

Seberapa akurat sebuah jam atom? Jawabannya tidak cukup ditentukan oleh seberapa cepat atomnya berosilasi. Peneliti juga harus mengetahui seberapa besar suhu, medan elektromagnetik, dan kondisi percobaan menggeser frekuensi yang dijadikan patokan waktu.

Di Centre for Quantum Technologies (CQT), Singapura, tim Murray Barrett mengembangkan jam atom optik berbasis lutetium dengan ketidakpastian frekuensi fraksional mendekati 1 × 10⁻¹⁹. Hasil yang terbit di Nature pada 23 September 2026 itu disebut tim sebagai tingkat akurasi tertinggi yang pernah dilaporkan untuk jam atom optik.306

Satu ion, banyak gangguan yang harus dihitung

Acuan jam ini berasal dari satu ion lutetium-176 bermuatan listrik. Laser dengan panjang gelombang 848 nanometer digunakan untuk mengukur transisi optiknya—perpindahan antara dua keadaan energi atom yang menyediakan frekuensi acuan. Namun, acuan optik yang sangat cepat tidak otomatis bebas dari pergeseran akibat lingkungan.72521

Kunci pengembangannya adalah perataan hiperhalus (hyperfine averaging). Dalam rencana risetnya pada 2015, kelompok Barrett mengidentifikasi cara ini untuk menjadikan transisi lutetium cocok sebagai acuan jam. Alih-alih bergantung pada satu keadaan internal atom, mereka menggabungkan pengukuran dari sejumlah keadaan terkait agar sebagian pergeseran yang bergantung pada keadaan tersebut saling meniadakan. Kelompok itu kemudian mendemonstrasikan teknik tersebut pada jam lutetium multi-ion.29152

Gangguan lain tetap perlu ditangani tersendiri. Dalam penelitian pada 2019, tim mengukur dan menekan perbedaan frekuensi antarion pada jam yang menggunakan tiga ion, termasuk efek yang terkait dengan momen kuadrupol listrik. Kajian tentang lutetium juga memperhitungkan pergeseran akibat radiasi termal dan gradien medan listrik. Jadi, hasil ini bukan berarti lutetium kebal terhadap semua perubahan lingkungan.1821

Dua angka rekor, dua arti berbeda

Angka sekitar 1 × 10⁻¹⁹ merujuk pada ketidakpastian frekuensi fraksional acuan jam. Tim juga membandingkan dua jam berion tunggal yang dibuat secara independen dan melaporkan ketidakpastian perbandingan sebesar 5,7 × 10⁻¹⁹. Perbandingan itu menguji apakah kedua acuan selaras; angka 5,7 × 10⁻¹⁹ tidak boleh dibaca sebagai cara lain menyebut akurasi tiap jam.6524

Kelompok tersebut telah menggunakan spektroskopi korelasi untuk membandingkan acuan frekuensi lutetium. Teknik ini mengurangi pengaruh derau laser saat membandingkan dua jam, sehingga selisih frekuensi yang kecil lebih mudah dikenali. Meski begitu, kesesuaian dua jam saja tidak dapat menyingkirkan pergeseran sistematis yang mungkin sama-sama memengaruhi keduanya. Durasi perbandingan 200 jam disebut dalam pertanyaan yang melatarbelakangi artikel ini, tetapi cuplikan sumber yang tersedia tidak mengonfirmasi durasi maupun rincian lengkap perhitungan ketidakpastiannya.2628

Ada pula perumpamaan bahwa jam ini baru akan maju atau tertinggal kurang dari satu detik dalam lebih dari 260 miliar tahun. Itu ilustrasi matematis, bukan hasil pengamatan selama rentang waktu tersebut. Jika galat fraksionalnya tetap 1 × 10⁻¹⁹, hitungannya sekitar satu detik dalam 317 miliar tahun; jika memakai 1,2 × 10⁻¹⁹, sekitar 264 miliar tahun. Perumpamaan itu bergantung pada angka ketidakpastian yang dipakai.64

Mengapa akurasi setinggi ini belum menjadi standar baru

Acuan optik yang lebih akurat dapat membantu upaya mendefinisikan ulang satuan detik. Namun, hasil dari satu laboratorium belum cukup untuk menunjukkan bahwa kinerjanya dapat diulang di laboratorium lain, apalagi menentukan transisi atom mana yang kelak dipilih sebagai standar. Sumber yang tersedia juga tidak mengonfirmasi jadwal resmi perubahan definisi tersebut.3024

Pada skala ini, posisi jam ikut menjadi bagian dari pengukuran. Di dekat permukaan Bumi, perbedaan ketinggian satu milimeter menghasilkan pergeseran frekuensi akibat gravitasi sekitar 1,1 × 10⁻¹⁹. Membandingkan jam di dua lokasi karena itu memerlukan pengetahuan tentang perbedaan potensial gravitasi di antara keduanya. Tantangan berikutnya adalah membuat versi yang dapat dipindahkan sambil tetap mengendalikan ion, laser, dan pengaruh lingkungan—lalu membuktikan kembali ketidakpastiannya setelah dipindah.521