Slik nådde Singapores lutetiumklokke en usikkerhet på 10⁻¹⁹

En atomklokke blir ikke nøyaktig bare fordi atomet svinger raskt. Forskerne må også finne ut hvor mye omgivelsene forskyver frekvensen de bruker som referanse. Ved Centre for Quantum Technologies ved National University of Singapore har Murray Barretts gruppe utviklet en optisk klokke basert på lutetium. I en studie publisert i Nature 23. september 2026 rapporterte de en relativ frekvensusikkerhet nær 1 × 10⁻¹⁹. Gruppen beskriver dette som den laveste usikkerheten som til da var rapportert for en optisk atomklokke.306

Ett ion er klokkens referanse

Klokken bruker ett elektrisk ladet ion av isotopen lutetium-176. En laser undersøker en overgang i ionet ved en bølgelengde på 848 nanometer. Overgangens frekvens er referansen klokken skal følge. Men elektromagnetiske felt og varmestråling kan påvirke den målte frekvensen, så slike utslag må kartlegges og håndteres.72521

Arbeidet har pågått i mange år. Allerede i en forskningsplan fra 2015 pekte gruppen på hyperfingjennomsnitt som en nøkkel: Ved å kombinere målinger fra beslektede indre tilstander i atomet kan noen tilstandsavhengige frekvensforskyvninger motvirke hverandre. Forskerne demonstrerte senere metoden med såkalt dynamisk frakobling i en lutetiumklokke med flere ioner.29152

Andre feilkilder krevde egne undersøkelser. I 2019 målte og reduserte gruppen frekvensforskjeller mellom ionene i en klokke med tre ioner, blant annet effekter knyttet til elektriske kvadrupolmomenter. Forskning på lutetium har også undersøkt påvirkning fra varmestråling og elektriske feltgradienter. Poenget er ikke at lutetium er upåvirkelig, men at påvirkningen må kunne beregnes og begrenses.1821

Hvorfor oppgis to forskjellige tall?

Rundt 1 × 10⁻¹⁹ er den rapporterte relative frekvensusikkerheten for klokkereferansen. Forskerne sammenlignet dessuten to uavhengig bygde klokker med ett ion i hver. Den sammenligningen hadde en usikkerhet på 5,7 × 10⁻¹⁹. Det siste tallet sier noe om hvor godt sammenligningen kan teste om klokkene stemmer overens; det er ikke en alternativ verdi for usikkerheten til hver klokke.6524

Gruppen har brukt korrelasjonsspektroskopi i sammenligninger av lutetiumreferanser. Metoden reduserer virkningen av støy fra laseren som brukes til målingen, slik at små forskjeller mellom klokkene blir lettere å skille ut. Den kan likevel ikke alene avsløre en systematisk forskyvning som er felles for begge. En måleperiode på 200 timer er omtalt i beskrivelsen av resultatet, men de tilgjengelige kildeutdragene bekrefter ikke selvstendig denne varigheten eller hele usikkerhetsberegningen.2628

Påstanden om at klokken ville tape eller vinne mindre enn ett sekund på 260 milliarder år, er et regneeksempel – ikke en observasjon over så lang tid. Hvis en relativ feil på 1 × 10⁻¹⁹ holdt seg konstant, ville den tilsvare omtrent ett sekund på 317 milliarder år. Med 1,2 × 10⁻¹⁹ blir det omtrent 264 milliarder år. Begge usikkerhetstallene forekommer i omtalen av resultatet, og illustrasjonen avhenger av hvilket man bruker.64

Veien videre: felles tidsstandard og tyngdekraft

En mer nøyaktig optisk referanse kan bidra til arbeidet med en framtidig ny definisjon av sekundet. Ett laboratorium kan likevel ikke alene vise at resultatet lar seg gjenskape på tvers av laboratorier, eller avgjøre hvilken atomovergang som bør bli ny standard. De tilgjengelige kildene bekrefter heller ingen formell tidsplan for en slik endring.3024

Ved denne nøyaktigheten blir også plasseringen en del av målingen. Nær jordoverflaten tilsvarer én millimeters høydeforskjell en relativ frekvensforskjell fra tyngdekraften på omtrent 1,1 × 10⁻¹⁹. Skal klokker på ulike steder sammenlignes, må forskjellen i gravitasjonspotensial mellom stedene derfor være kjent. En transportabel versjon byr på en annen prøve: Den må fortsatt holde kontroll på ionet, laseren og påvirkningen fra omgivelsene – og få usikkerheten dokumentert på nytt etter flytting.521