Menilai Kembali Waktu dan Ruang – Bagaimana Thorium Akan Berperan

Konsep waktu dan ruang selalu menggelitik para ilmuwan. Semua yang kita lihat di sekitar kita beroperasi dalam kerangka temporal dan spasial. Albert Einstein terkenal berkata, “Manusia adalah bagian dari keseluruhan, yang kami sebut “Alam Semesta,” bagian yang terbatas dalam waktu dan ruang.” 

Namun, penilaian kami tentang waktu dan ruang terus berkembang seiring kemajuan yang dicapai dalam ilmu pengetahuan dan pemahaman filosofis kami tentangnya. 

Salah satu penambahan terbaru dalam alur evolusi ini, sesuatu yang dapat mengubah permainan atau revolusioner, berasal dari masukan penelitian tim yang dipimpin oleh Prof. Thorsten Schumm dari TU Wien (Wina). Harapannya penelitian ini dapat membuka jalan bagi teknologi presisi tinggi yang revolusioner, termasuk jam nuklir. 

Inti Atom Terangsang dengan Laser: Kasus Menarik Transisi Thorium

Komunitas ilmiah telah lama berupaya mencapai keadaan sangat spesifik dari inti atom thorium yang dapat membantu membangun jam nuklir yang lebih tepat dalam pengukuran waktu dibandingkan jam atom terbaik yang tersedia saat ini. 

Pada tingkat yang lebih tinggi, pengukuran waktu yang sangat halus ini akan membantu menilai kembali proposisi inti fisika teoretis, termasuk pertanyaan mengenai konstanta alam: Apakah konstanta ini sakral, ataukah mereka berubah dalam ruang dan waktu? 

Mengukur waktu dengan akurasi begitu tinggi memerlukan pengetahuan tentang energi tepat untuk mengexcite Thorium hingga mencapai transisi atomiknya. Berkat penelitian yang kami bahas, energi tersebut kini diketahui dengan tepat. Oleh karena itu, untuk pertama kalinya, kini memungkinkan memindahkan inti atom ke keadaan energi yang lebih tinggi melalui laser dan kemudian melacak kembalinya ke keadaan semula. 

Fenomena ini juga merupakan pencapaian perintis karena pertama kalinya dua bidang fisika yang berbeda—fisika kuantum dan fisika nuklir—dapat digabungkan menjadi satu. Penelitian ini memerlukan pengembangan kristal khusus yang mengandung thorium. 

Sejak tahun 1970-an, ilmuwan telah menyadari kemungkinan adanya inti atom khusus yang dapat dimanipulasi dengan laser. Namun, mencapai keberhasilan memerlukan pengetahuan tentang energi transisi dengan presisi ekstrem. Menurut Prof. Thorsten Schumm:

“Mengetahui energi transisi ini hingga satu elektronvolt tidak banyak berguna jika Anda harus mencapai energi yang tepat dengan presisi satu per sejuta elektronvolt untuk mendeteksi transisinya.” 

Untuk berhasil dalam misi ini, yang pada saat itu terdengar hampir mustahil, tim mengembangkan kristal yang mengandung sejumlah besar atom thorium. 

Fabian Schaden, peneliti yang bertanggung jawab merancang kristal ini di Wina, mengatakan hal berikut untuk menjelaskan kompleksitas yang terlibat:

 “Meskipun secara teknis cukup kompleks, keuntungannya adalah kami tidak hanya dapat mempelajari inti thorium individu dengan cara ini tetapi juga dapat menargetkan sekitar sepuluh pangkat tujuh belas inti thorium secara simultan dengan laser – sekitar satu juta kali lebih banyak daripada jumlah bintang di galaksi kami.” 

Keberadaan sejumlah besar inti thorium memperkuat efek, mengurangi waktu pengukuran yang diperlukan dan meningkatkan peluang menemukan transisi energi secara nyata. 

Seberapa penting terobosan ini? Menurut Thorsten Schumm:

“Bagi kami, ini adalah mimpi yang menjadi kenyataan.” Ia melanjutkan, “Kami senang bahwa kini kami yang dapat mempersembahkan terobosan penting: Eksitasi laser terarah pertama pada inti atom.” 

Klik di sini untuk daftar lima saham nuklir terbaik untuk diinvestasikan.

Dampak Keberhasilan pada Konsep Waktu dan Ruang

Keberhasilan yang dicapai dalam penelitian ini akan menghasilkan instrumen presisi yang lebih canggih. Jam-jam akan menggunakan osilasi cahaya yang mengaktifkan transisi thorium untuk menjadi varian baru yang dapat lebih tepat daripada jam atom terbaik yang tersedia saat ini. 

Fenomena ini juga dapat membantu menganalisis medan gravitasi bumi dengan lebih tepat, yang dapat membantu menemukan sumber daya mineral dan menunjukkan kemungkinan gempa bumi dengan presisi yang lebih tinggi. 

Para peneliti belum yakin tentang seluruh spektrum kemungkinan aplikasi, tetapi mereka yakin potensinya tidak terbatas. Dalam kata-kata Thorsten Schumm:

“Metode pengukuran kami baru permulaan. Kami belum dapat memprediksi hasil apa yang akan kami capai dengannya. Ini pasti akan sangat menarik.”

Penelitian ini dapat sangat menguntungkan perusahaan yang mengembangkan jam presisi canggih. Berikut beberapa perusahaan tersebut. 

#1. Microsemi

Microsemi dikenal secara global atas kemampuan jam atomiknya. Ini adalah jam yang osilator listriknya diatur oleh frekuensi getaran alami dari sistem atom, yang dapat berupa berkas atom Cesium, atom amonia, atau rubidium. 

Jam atomik Microsemi dikenal karena menyediakan lebih dari 90% masukan ke Waktu Universal Terkoordinasi (UTC). Ini juga satu-satunya penyedia komersial jam tabung berkas Cesium di dunia, yang dapat ditemukan di laboratorium nasional di seluruh dunia.

Perusahaan ini menempatkan dirinya sebagai penyedia terkemuka jam atom sel gas, termasuk Chip Scale Atomic Clock (CSAC), jam atom terkecil dan paling hemat energi di dunia, serta Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi mengatakan bahwa jam atom Cesium mereka sangat berguna dalam komunikasi. Jam ini dapat secara sangat efisien mendukung teknologi GNSS/GPS untuk aplikasi frekuensi, waktu, dan fase. 

Cesium beroperasi dengan selisih dari UTC dengan akurasi 1×10-12. Hal ini membuat jam Cesium mampu mendukung GNSS/GPS tanpa penurunan kinerja untuk aplikasi frekuensi. Ini memungkinkan mode holdover untuk operasi waktu dan fase. 

Namun, dengan keberhasilan penelitian ‘transisi thorium’, Microsemi kini memiliki sumber daya untuk mengembangkan jam yang lebih akurat dan terkalibrasi. 

Secara keseluruhan, Microsemi Corporation adalah anak perusahaan yang sepenuhnya dimiliki oleh Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). Pada tahun fiskal 2023, Microchip mencatat penjualan bersih sebesar lebih dari US$8,4 miliar. Pada FY 2023, perusahaan mengembalikan $1,64 miliar kepada pemegang sahamnya dibandingkan $0,9 miliar yang dikembalikan pada tahun fiskal 2022.

#2. General Atomics

Pada Oktober 2021, General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) menyatakan bahwa mereka telah menyelesaikan misi Deep Space Atomic NASA di Jet Propulsion Laboratory. Menurut presiden GA-EMS, Scott Forney:

“Keberhasilan misi DSAC di atas OTB membuka jalan bagi upaya masa depan untuk mengembangkan teknologi berbasis ruang angkasa yang kritis dan menempatkannya di orbit dengan desain satelit yang andal dan kuat.”

DSAC adalah jam atom ion merkuri yang diminaturkan dan sangat presisi. Menurut penilaian General Atomics, jam ini menunjukkan stabilitas waktu yang jauh lebih baik dibandingkan jam atom lain yang beroperasi pada satelit GPS. Ia dapat mengukur waktu secara konsisten dalam jangka panjang dan mendukung navigasi serta eksplorasi ruang angkasa dalam. 

Tidak mengherankan, General Atomics adalah perusahaan yang akan sangat diuntungkan oleh penelitian ‘Transisi Thorium’. 

Pada intinya, General Atomics adalah perusahaan pertahanan dan teknologi beragam. Pada tahun 2023, perusahaan memperoleh pendapatan sebesar US$3,1 miliar. 

Sementara jam Nuklir berfokus pada peningkatan presisi, para ilmuwan terus mengembangkan solusi yang melahirkan generasi baru jam atom. Dalam salah satu eksperimen di laser sinar-X European XFEL, para peneliti memanfaatkan unsur Skandium. 

Jam Atom Sangat Presisi: Memanfaatkan Skandium untuk Standar Akurasi yang Sangat Tinggi

Para peneliti memanfaatkan Skandium untuk mencapai akurasi satu detik dalam 300 miliar tahun, yang merupakan seribu kali lebih tepat daripada standar jam atom saat ini yang berbasis cesium.

Serupa dengan transisi Thorium yang kami bahas di awal, peneliti di European XFEL dapat mengexcite transisi menjanjikan pada inti Skandium. Skandium tersedia sebagai foil logam murni tinggi atau sebagai senyawa skandium dioksida. Energi yang diperlukan untuk mengexcite secara akurat memerlukan sinar-X dengan energi 12,4 kiloelektronvolt (keV), sekitar 10.000 kali energi cahaya tampak. 

Ia memiliki lebar hanya 1,4 femto-elektronvolt (eV) atau 1,4 kuadriliun dari satu elektronvolt, yang hanya sekitar satu per sepuluh triliun energi eksitasi (10-19). Ini membantu mencapai akurasi 1:10,000,000,000,000, setara dengan satu detik dalam 300 miliar tahun.

Saat menjelaskan manfaat potensial dari penelitian ini dan keberhasilannya, para peneliti dapat menunjukkan banyak hal. Misalnya, jam atom dengan akurasi yang ditingkatkan dapat membantu satelit diposisikan lebih tepat. Para peneliti juga menyoroti potensi jam atom sebagai pembuka jalan bagi jam nuklir di masa depan. 

Menurut pemimpin proyek eksperimen, Yuri Shvyd’ko dari Argonne National Laboratory di Amerika Serikat:

“Terobosan dalam eksitasi resonan skandium dan pengukuran tepat energinya membuka jalur baru tidak hanya untuk jam nuklir tetapi juga untuk spektroskopi ultra-presisi dan pengukuran presisi efek fisik fundamental.”

Menjelaskan potensi penelitian ini, Olga Kocharovskaya dari Texas A&M University di AS, inisiator dan pemimpin proyek, mengatakan:

“Sebagai contoh, akurasi tinggi semacam itu dapat memungkinkan dilatasi waktu gravitasi diuji pada jarak sub-milimeter. Ini akan memungkinkan studi efek relativistik pada skala panjang yang sebelumnya tidak dapat diakses.”

Secara singkat, inovasi ini, seperti yang kami baca tentang transisi thorium, memiliki beberapa manfaat. Pada satu tingkat, manfaat ini berarti penerapan langsung fenomena untuk merancang solusi baru. Pada tingkat lain, manfaatnya berupa horizon baru yang terbuka. Di bidang fisika teoretis, jalur baru yang terbuka ini akan menghasilkan solusi yang lebih efisien. 

Jam Presisi yang Memanfaatkan Strontium

Kami telah melihat bagaimana Thorium dan skandium digunakan untuk menilai kembali waktu dan ruang hingga tingkat terkecil yang memungkinkan. Pada tahun 2022, para peneliti mengeksplorasi potensi Strontium dalam hal ini. 

Penelitian tersebut melibatkan sekelompok ilmuwan AS. Mereka mengklaim telah membangun perangkat yang 50 kali lebih tepat dibandingkan jam atom sejenisnya. 

Menurut Jun Ye, yang berafiliasi dengan National Institute of Standards and Technology (NIST) dan University of Colorado Boulder, selain fitur presisinya, jam ini dapat memperkenalkan penemuan dalam mekanika kuantum dan paradigma yang mengarahkan dinamika dunia subatomik. 

Solusi ini berhasil mengeksplorasi jaringan cahaya, yang dikenal sebagai kisi optik. Kisi ini dapat menjebak atom secara teratur dan mencegah atom jatuh akibat gravitasi atau gerakan yang menyebabkan kehilangan akurasi. Jam presisi tersebut terdiri dari 100.000 atom strontium. Setiap atom ditumpuk satu di atas lainnya seperti pancake membentuk tinggi sekitar 1 milimeter. 

Saat menjelaskan fitur menarik jam tersebut, Ye berkata: 

“Ruang dan waktu terhubung. Dan dengan pengukuran waktu yang begitu tepat, Anda dapat melihat bagaimana ruang berubah secara real-time—Bumi adalah tubuh yang hidup dan dinamis.”

Seperti jam lain yang telah kami bahas, Ye bersemangat dengan potensi jam ini untuk membuka era fisika yang sepenuhnya baru. Jam ini dapat mendeteksi perbedaan waktu pada rentang 200 mikron. Jika diturunkan menjadi 20 mikron, ia dapat lebih efisien memeriksa dinamika internal dunia kuantum. 

Menilai Kembali Waktu dan Ruang dengan Thorium dan Lainnya: Kata Penutup

Selain membuka dimensi baru tentang sifat temporal dan spasial alam semesta kita, jam super presisi ini melayani banyak tujuan, termasuk meningkatkan sistem telekomunikasi dan navigasi kita. 

Menurut Andrew Ludlow, fisikawan dari National Institute of Standards and Technology di Boulder, Colorado:

“Ada banyak aplikasi [untuk jam] yang hanya membutuhkan stabilitas yang sangat baik, dan kemudian ada rentang aplikasi di mana hanya stabilitas tidak cukup, dan Anda juga memerlukan akurasi.”

Perangkat super-sensitif ini dapat mengukur setiap riak kecil melalui ruang-waktu. Mereka dapat mendeteksi gelombang gravitasi pada frekuensi yang hampir tidak dapat diakses oleh solusi konvensional kami. Alat pengukuran ruang-waktu berperforma tinggi dapat merasakan perubahan gravitasi terkecil yang terjadi jauh di bawah tanah untuk menunjukkan kondisi sinyal yang merupakan prekursor gempa bumi atau letusan gunung berapi. 

Secara singkat, kemungkinan tidak terbatas, dan para ilmuwan mungkin menemukan lebih banyak unsur seperti Thorium, skandium, dan strontium di masa depan yang akan merevolusi cara kita melihat ruang dan waktu. 

Klik di sini untuk mengetahui apakah warp drive adalah fiksi atau masa depan.