Jam Nuklir Torium Pertama yang Berfungsi Mengubah Inti Atom Menjadi Penunjuk Waktu

Penunjuk waktu nuklir beroperasi lebih dari sehari

Sebuah prototipe di Wina mampu mempertahankan sinkronisasi lasernya dengan inti torium selama lebih dari 24 jam tanpa intervensi. Sementara itu, tim independen di Beijing mendemonstrasikan jam serupa dengan laser ultraviolet yang lebih kuat dan hanya 1,4 mikrogram torium 229 untuk menumbuhkan salah satu kristalnya. Kedua hasil tersebut, yang diterbitkan di Nature pada 7 Oktober 2026, membawa jam nuklir dari tahap pengukuran inti atom yang menjanjikan menuju perangkat yang dapat mengatur detaknya sendiri.

Kolaborasi Eropa, dipimpin Thorsten Schumm dari TU Wien dan Ekkehard Peik dari lembaga metrologi nasional Jerman, PTB, mencapai ketidakstabilan frekuensi yang mendekati satu bagian dalam satu kuadriliun setelah pengambilan rata-rata selama sehari. Kolaborasi China, dipimpin Shiqian Ding dari Universitas Tsinghua, melaporkan koefisien ketidakstabilan yang lebih kecil, yang menunjukkan kestabilan sekitar enam kali lebih baik berdasarkan hubungan pengambilan rata-rata yang dilaporkan.

Belum satu pun prototipe itu mengungguli jam atom optik terbaik. Terobosan ini justru terletak pada penggunaan transisi nuklir untuk menyediakan umpan balik yang diperlukan guna mengendalikan jam yang beroperasi. Tim Wina telah menggunakan kemampuan tersebut untuk mencari materi gelap ultraringan. Mereka tidak menemukan sinyal, tetapi berhasil menetapkan batas bagi sejumlah interaksi yang diusulkan.

Dalam pengumuman jam nuklirnya, TU Wien menjelaskan sistem yang secara otomatis mengoreksi frekuensi laser ketika respons inti torium berubah. Schumm, profesor di Institut Fisika Atom dan Subatom universitas tersebut, menjelaskan tujuan utamanya:

Yang benar-benar diinginkan adalah jam nuklir yang menstabilkan dirinya sendiri.

Perbedaan ini membedakan demonstrasi tersebut dari eksperimen terdahulu yang mengeksitasi inti torium atau mengukur frekuensi transisinya, tetapi masih mengandalkan jam eksternal untuk menstabilkan cahaya.

Apa yang membuat torium 229 berbeda?

Jam atom optik menggunakan transisi antara tingkat energi elektron sebagai acuan frekuensi. Jam nuklir memindahkan acuan tersebut ke dalam inti atom, tempat proton dan neutron dapat menempati keadaan kuantum yang berbeda. Dalam kedua jenis jam itu, osilasi cahaya yang teratur menghasilkan detak, sementara transisi yang dipilih menjaga laser pada frekuensi yang tepat.

Sebagian besar transisi nuklir membutuhkan energi yang jauh lebih besar daripada yang dapat dihasilkan laser konvensional. Torium 229 merupakan satu-satunya inti yang diketahui memiliki transisi yang dapat dijangkau langsung dengan teknologi laser saat ini. Keadaan tereksitasinya yang luar biasa rendah, disebut isomer, berada sekitar 8,4 elektronvolt di atas keadaan dasar. Energi tersebut setara dengan cahaya ultraviolet pada panjang gelombang sekitar 148 nanometer.

Cahaya ini berada dalam rentang ultraviolet vakum, yang sulit dihasilkan dan ditangani. Menghasilkan rentang frekuensi laser yang cukup stabil dan sempit pada panjang gelombang tersebut menjadi salah satu tantangan rekayasa utama bagi kedua tim.

Istilah nuklir bukan berarti jam ini beroperasi dengan reaktor, fisi, atau fusi. Torium 229 bersifat radioaktif, tetapi peluruhannya bukan mekanisme detak jam. Jam ini menggunakan cahaya laser untuk mengukur transisi di dalam intinya.

Ukuran inti atom lebih dari sepuluh ribu kali lebih kecil daripada atom, dan sebagian terlindung oleh elektron di sekelilingnya. Umumnya, inti merespons lebih lemah terhadap gangguan listrik dan magnet dari luar, sehingga berpotensi menjadi acuan frekuensi yang lebih stabil. Eksperimen saat ini juga menunjukkan bahwa menanamkan inti dalam kristal tidak menghilangkan semua pengaruh lingkungan.

Bagaimana kristal mengoreksi laser

Kedua tim menanamkan torium 229 dalam kristal kalsium fluorida dan menyinarinya dengan cahaya laser kontinu pada panjang gelombang sekitar 148,4 nanometer. Ketika cahaya cocok dengan transisi nuklir yang dipilih, inti menyerapnya. Detektor mengukur cahaya yang diteruskan sehingga peneliti dapat mengetahui apakah frekuensi laser telah bergeser dari resonansi.

Selanjutnya, rangkaian umpan balik elektronik mengubah frekuensi laser untuk mengembalikannya ke posisi semula. Inti tidak lagi sekadar menjadi objek pengukuran. Responsnya mengarahkan osilator yang menghasilkan sinyal jam.

Makalah jam Wina dari tim Eropa, yang dipimpin Luca Toscani de Col, menjelaskan umpan balik cepat berdasarkan spektroskopi absorpsi dalam kristal berukuran hanya beberapa milimeter yang beroperasi pada suhu ruang. Rongga optik terpisah memberikan kestabilan dalam interval pendek, sementara transisi nuklir mengoreksi pergeseran jangka panjang.

Absorpsi penting karena menunggu inti tereksitasi memancarkan cahaya bisa memakan waktu lama. Makalah Wina melaporkan bahwa absorpsi menghasilkan sinyal foton per detik sekitar seribu kali lebih banyak daripada deteksi fluoresensi. Dengan demikian, koreksi dapat dilakukan dalam rentang waktu yang lebih pendek daripada masa hidup keadaan tereksitasi, sehingga pencarian perubahan transisi dapat berlangsung lebih cepat.

Dua laboratorium, pilihan rekayasa yang berbeda

Kolaborasi Eropa mencakup peneliti di Jerman, Austria, dan Ceko. Tim Beijing melibatkan Universitas Tsinghua, Akademi Ilmu Informasi Kuantum Beijing, serta kolaborator di berbagai wilayah China. Beichen Huang memimpin daftar penulis penelitian China tersebut.

Wina menggunakan kristal dengan konsentrasi torium lebih tinggi, sedangkan Beijing mengimbangi keterbatasan pasokan isotop dengan daya laser yang jauh lebih besar. Kedua pendekatan itu mengatasi masalah yang sama: memperoleh sinyal absorpsi yang cukup kuat untuk menentukan seberapa jauh laser dari resonansi nuklir.

Makalah jam Tsinghua menjelaskan sumber yang menghasilkan 10 mikrowatt cahaya ultraviolet melalui proses yang menggabungkan medan laser dalam uap kadmium. Sekitar 5 mikrowatt mencapai permukaan depan kristal. Perangkat Eropa menggunakan metode konversi nonlinear berbeda yang melibatkan kristal stronsium tetraborat.

Kristal kalsium fluorida Beijing yang telah ditingkatkan ditumbuhkan dari larutan yang hanya mengandung 1,4 mikrogram torium 229 dengan aktivitas 10 kilobecquerel. Aktivitas ini mengukur peluruhan radioaktif, bukan detak jam. Makalah tersebut menyebut kelangkaan isotop sebagai kendala yang hampir tidak menyisakan ruang untuk mengulang upaya optimalisasi pertumbuhan kristal.

Shiqian Ding, fisikawan di Universitas Tsinghua, mengatakan bahwa demonstrasi independen ini memperkuat keyakinan bahwa konsep jam tersebut dapat berfungsi dengan beragam rancangan teknis:

bekerja secara independen dan berhasil mengoperasikan jam nuklir torium-229 pada waktu yang sama, dengan pendekatan eksperimen yang berbeda. Menurut saya, hal ini sangat menggembirakan karena menunjukkan bahwa konsepnya tangguh dan tidak bergantung pada satu penerapan teknis tertentu.

Kedua kelompok berniat menyempurnakan sistem mereka dan memadukan pelajaran dari kedua pendekatan. Lebih banyak inti dan lebih banyak cahaya ultraviolet yang dapat digunakan berpotensi menghasilkan sinyal gabungan yang lebih kuat daripada keunggulan masing-masing.

Seberapa presisi prototipe ini?

Makalah Wina melaporkan ketidakstabilan frekuensi fraksional sebesar 3 × 10^-12 dibagi akar kuadrat waktu pengambilan rata-rata dalam detik. Makalah China melaporkan 5 × 10^-13 dengan bentuk skala yang sama. Pembagian kedua koefisien tersebut menghasilkan angka enam, yang menjadi dasar perbandingan kedua jam.

Ketidakstabilan frekuensi menggambarkan seberapa besar laju jam berfluktuasi selama pengukuran. Pengambilan rata-rata dapat mengurangi fluktuasi acak. Akurasi menjawab pertanyaan yang berbeda: seberapa dekat frekuensi yang diukur dengan nilai yang benar setelah bias diperhitungkan. Keterulangan mengukur apakah pengukuran lain, atau kristal lain, menghasilkan nilai yang sama.

Dolores del Campo Maldonado, direktur Divisi Besaran Mekanis dan Rekayasa di Pusat Metrologi Spanyol, menyebut kestabilan jam China yang lebih baik dalam interval pendek dan perbandingan eksperimen Austria dengan jam iterbium sebagai keunggulan yang berbeda. Tidak satu pun temuan itu membuktikan keunggulan atas jam atom terbaik dalam semua aspek.

Laporan menyajikan konversi ke selisih waktu terakumulasi yang berbeda-beda. TU Wien memperkirakan sekitar satu detik dalam 30 juta tahun untuk prototipe Wina, berdasarkan presisi mendekati 10^-15. Laporan lain menyebut sekitar satu detik dalam 3 juta tahun untuk jam Eropa dan 19 juta tahun untuk perangkat China. Uraian terdahulu mengenai hasil China menyebut ketidakstabilannya mendekati satu bagian dalam 10 triliun setelah sehari, sedangkan makalah final melaporkan bahwa pengambilan rata-rata mencapai tingkat 10^-15 selama interval yang diukur.

Angka-angka tersebut tidak boleh diperlakukan sebagai jaminan akurasi absolut yang setara. Perbandingan yang paling aman menggunakan pengukuran ketidakstabilan yang dipublikasikan beserta kondisi pengambilan rata-ratanya. Jam atom optik saat ini masih unggul, dengan kinerja yang dilaporkan setara dengan satu detik dalam puluhan miliar tahun, termasuk contoh jam iterbium yang mencapai 23 miliar tahun.

Kristal tetap memengaruhi hasil

Studi Wina menemukan bahwa frekuensi yang diukur pada hari berbeda hanya dapat diulang hingga sekitar 5 × 10^-13, lebih buruk daripada ketidakstabilan yang dicapai selama pengoperasian berkelanjutan. Sebelum setiap pengoperasian, laser harus disejajarkan ulang sehingga melewati bagian kristal yang sedikit berbeda.

Pengukuran di posisi berbeda menunjukkan pergeseran hingga 1,7 kilohertz pada frekuensi pusat transisi. Peneliti menduga penyebabnya adalah tegangan lokal akibat struktur kristal yang tidak seragam. Pengulangan pengukuran pada posisi yang sama menghasilkan nilai yang dapat diulang, mendukung perlunya mengendalikan jalur laser saat melewati material.

Tim Beijing menguji dua kristal yang dibuat secara terpisah. Frekuensi transisi yang diukur berbeda sekitar 560 hertz, setara dengan selisih fraksional 2,8 × 10^-13, dengan ketidakpastian 0,6 × 10^-13. Dalam batas ketidakpastian gabungan, hasil kedua kristal juga konsisten dengan pengukuran terdahulu pada kristal kalsium fluorida lain di JILA, Amerika Serikat.

Perangkat Beijing mengendalikan fluktuasi suhu dan menggunakan pelindung magnetik. Kristal yang ditingkatkan itu meneruskan 7% cahaya ultraviolet, dibandingkan sekitar 1% pada kristal sebelumnya. Bersama perubahan detektor dan sinyal absorpsi yang lebih kuat, peningkatan ini secara signifikan mengurangi derau pengukuran.

Akio Kawasaki dari Institut Metrologi Nasional Jepang menyebut medan listrik eksternal sebagai sumber utama ketidakpastian jam. Transisi nuklir menawarkan perlindungan dari gangguan tersebut, tetapi hasil prototipe menunjukkan mengapa kualitas material, kendali suhu, dan penilaian cermat terhadap pergeseran frekuensi tetap diperlukan.

Pencarian materi gelap tanpa deteksi

Tim Wina membandingkan jam nuklirnya dengan jam ion iterbium di Kantor Federal Metrologi dan Survei Austria menggunakan sambungan serat optik yang distabilkan. Eksperimen ini mencari variasi periodik dan pergeseran lambat pada rasio frekuensi kedua jam selama sekitar 23 jam, dengan menguji rentang waktu dari 20 detik hingga sekitar satu hari.

Sejumlah teori memprediksi bahwa materi gelap ultraringan dapat menyebabkan osilasi kecil pada konstanta fundamental. Transisi nuklir dan elektronik akan merespons secara berbeda, sehingga perbandingan kedua jam menjadi pengujian yang berguna. Tidak ditemukan sinyal periodik yang signifikan secara statistik, dan pergeseran lambat yang terukur konsisten dengan nol.

Tidak adanya sinyal memungkinkan tim membatasi kemungkinan interaksi dengan foton, gaya nuklir kuat, dan massa kuark. Batas untuk foton bersaing dengan hasil dari jam atom sebanding terkemuka. Untuk interaksi tertentu yang melibatkan gaya kuat dan kuark, makalah tersebut melaporkan sensitivitas yang menjangkau 10 hingga 1.000 kali lebih jauh ke dalam rentang parameter yang diuji dibandingkan eksperimen jam atom sebelumnya.

Keunggulan torium berasal dari keseimbangan energinya yang tidak biasa. Kontribusi elektromagnetik dan nuklir yang jauh lebih besar hampir saling meniadakan sehingga menyisakan transisi kecil sebesar 8,4 elektronvolt. Karena itu, perubahan kecil pada kontribusi tersebut dapat menghasilkan perubahan relatif besar pada frekuensi jam.

José R. Crespo López-Urrutia, peneliti di Institut Fisika Nuklir Max Planck di Heidelberg, memperkirakan sensitivitas terhadap efek materi gelap hipotetis tertentu hampir 10.000 kali lebih besar daripada jam atom optik terbaik. Angka tersebut menggambarkan potensi respons terhadap efek tertentu, bukan peningkatan universal dalam ketepatan waktu atau deteksi materi gelap. Ia mengungkapkan pernah berkolaborasi dengan beberapa kelompok penulis, tetapi tidak terlibat langsung dalam penelitian ini.

Makalah Wina juga mengingatkan bahwa faktor sensitivitas yang tepat belum dapat dihitung karena sejumlah parameter nuklir masih belum diketahui. Temuannya membatasi model dan interaksi tertentu, bukan semua kemungkinan bentuk materi gelap.

Tonggak menuju jam yang berfungsi

Hasil terbaru ini mengikuti kerja bertahun-tahun untuk membuktikan keberadaan keadaan tereksitasi, menentukan energinya, dan mengembangkan laser yang sesuai. Schumm mengatakan timnya telah mengupayakan jam nuklir sejak 2008. Peik dan Christian Tamm mengusulkan pendekatan jam torium pada 2003.

• 2016: Peneliti mendemonstrasikan keberadaan isomer torium melalui proses peluruhannya, menurut catatan sejarah dalam makalah Wina.
• 12 September 2019: TU Wien menjelaskan dua eksperimen yang menyempurnakan pemahaman tentang transisi tersebut, sebelum jam yang berfungsi tersedia.
• April 2024: Kolaborasi TU Wien dan PTB menggerakkan transisi nuklir torium secara langsung dengan cahaya laser.
• Musim gugur 2024: Peneliti menghubungkan perangkat eksitasi torium dengan jam atom optik konvensional.
• 2025: Sumber laser ultraviolet kontinu dan pengukuran absorpsi memungkinkan pengamatan transisi secara berkelanjutan.
• 7 Oktober 2026: Dua studi di Nature melaporkan jam nuklir yang beroperasi dengan umpan balik.

Pengumuman tonggak 2019 TU Wien merinci pengukuran tidak langsung menggunakan ion torium yang dihasilkan dari peluruhan uranium 233. Sekitar 2% ion itu menempati keadaan tereksitasi. Ketika ion dilewatkan melalui grafena, ion menjadi netral. Energi elektron yang kemudian dipancarkan membantu menentukan energi keadaan nuklir tersebut.

Eksperimen terpisah di Jepang menggunakan sinar-X sinkrotron intens untuk mengisi keadaan nuklir yang jauh lebih tinggi, yang kemudian terutama meluruh menjadi isomer yang diinginkan. Ini merupakan langkah untuk menemukan dan mengukur transisi, bukan demonstrasi jam yang berfungsi.

Tinjauan akademis quantA menyebut kelompok Schumm berhasil menentukan energi transisi hingga 12 angka desimal dan mengembangkan eksitasi ultraviolet melalui pembangkitan harmonik tinggi. Tinjauan tersebut menggambarkan pembangunan prototipe sebagai tahap rekayasa dalam Cluster of Excellence quantA dan Proyek Sinergi ERC. Demonstrasi umpan balik baru ini membawa penelitian melampaui tahap sebelumnya.

Apa yang perlu ditingkatkan sebelum digunakan secara praktis?

Prioritas langsung mencakup laser yang lebih kuat dan stabil, detektor yang lebih baik, serta kristal yang lebih murni dan seragam. Wina perlu meningkatkan keterulangan hasil antar-pengoperasian. Beijing tengah mengkaji material inang yang lebih baik dan kemungkinan jam ion torium, yang dapat mengisolasi inti dengan lebih baik tetapi lebih sulit dibuat secara teknis.

Laporan juga menyebut lebar resonansi yang berbeda. Peik menjelaskan lebar terukur sebesar 30 kilohertz, sedangkan makalah Wina menggunakan sekitar 100 kilohertz dalam analisis kinerja jamnya. Makalah China melaporkan 27 kilohertz untuk transisi yang dipilih pada kristal yang ditingkatkan. Pengukuran ini tidak boleh disatukan menjadi satu nilai lebar. Semuanya jauh lebih lebar daripada resonansi nuklir alami yang diperkirakan, menandakan masih ada ruang untuk perbaikan.

Potensi penggunaannya meliputi navigasi satelit, telekomunikasi, transfer data tersinkronisasi, dan survei. Pernyataan aplikasi 2024 TU Wien juga menjelaskan pengukuran medan gravitasi Bumi melalui perubahan laju jam akibat gravitasi, yang berpotensi digunakan dalam pencarian mineral dan studi tektonik lempeng. Penyebutan prediksi gempa merupakan potensi penggunaan di masa depan, bukan kemampuan yang telah didemonstrasikan.

Daniel de Mercado, fisikawan di Pusat Metrologi Spanyol, menjelaskan bahwa pengukuran transisi yang presisi dapat menguji apakah nilai yang diamati berbeda dari prediksi teoretis. Perbedaan semacam itu dapat mengindikasikan adanya interaksi yang belum diketahui. Untuk prototipe saat ini, peran dalam penelitian tersebut lebih dekat daripada menggantikan jam dalam infrastruktur sehari-hari.

Del Campo menilai akurasi yang melampaui 10^-19 berpotensi menjadi keunggulan di masa depan, tetapi meragukan jam nuklir siap memengaruhi kemungkinan redefinisi detik pada 2030. Belum ada tenggat penerapan yang dipastikan atau jadwal penggantian standar waktu yang ada seiring demonstrasi ini. Tugas berikutnya adalah membuktikan bahwa perangkat yang disempurnakan dapat menggabungkan ketidakstabilan rendah, frekuensi yang dapat diulang, dan akurasi yang dipahami dengan baik.

Poin Utama

• Tim independen di Eropa dan China melaporkan jam nuklir torium yang berfungsi di Nature pada 7 Oktober 2026.
• Kedua jam menggunakan absorpsi ultraviolet dalam kristal kalsium fluorida yang mengandung torium untuk mengoreksi frekuensi laser.
• Prototipe Wina beroperasi lebih dari 24 jam tanpa intervensi.
• Koefisien ketidakstabilan yang dilaporkan untuk jam China enam kali lebih kecil daripada jam Eropa.
• Belum satu pun prototipe mengungguli jam atom optik terbaik.
• Pencarian materi gelap di Wina tidak menemukan sinyal, tetapi membatasi interaksi teoretis tertentu.
• Keseragaman kristal, daya laser, dan keterulangan hasil masih menjadi tantangan utama sebelum penerapan praktis.