Jam Atom
Jam
atom adalah sebuah jenis jam yang menggunakan standar frekuensi
resonansi atom sebagai penghitungnya. Jam atom
tidak radioaktif. Mereka tidak bergantung pada peluruhan atom. Sebaliknya,
mereka memiliki massa yang berosilasi dan musim semi, seperti jam biasa. Jam
atom awal adalah maser dengan peralatan lainnya. Standar frekuensi atom terbaik
sekarang ini berdasarkan fisika yang lebih maju melibatkan atom dingin dan air
mancur atomik. National
Institute of Standards and Technology - NIST (Lembaga Nasional Standar dan Teknologi Amerika
Serikat) mempertahankan keakuratan 10-9 detik per hari, dan ketepatan yang sama
dengan frekuensi radio pemancar yang memompa maser. Jam ini mempertahankan
skala waktu yang stabil dan berkelanjutan, yaitu Waktu Atom
Internasional
(International Atomic Time) (TAI). Untuk penggunaan masyarakat,
skala waktu lainnya digunakan, Coordinated Universal Time (UTC). UTC diturunkan dari TAI,
tetapi disinkronisasi dengan lewatnya hari dan malam berdasarkan pengamatan
astronomikal.
Ada 3 sistem waktu [Moritz and Mueller,
1987] :
1.
Waktu bintang dan
waktu
matahari (universal/solar time) yang
berdasarkan rotasi harian bumi. (UTC)
2.
Waktu dinamik,
yang berdasarkan pada pergerakan benda-benda langit dalam sistem matahari.
3.
Waktu atom,
yang berdasarkan pada osilasi elektromagnetik yang dikontrol atau dihasilkan
oleh transisi kuantum dari suatu atom. (TAI)
Jenis Jam Atom
Perbedaan besar
berkaitan dengan elemen yang digunakan dan cara mendeteksi ketika perubahan
tingkat energi. Berbagai jenis jam atom meliputi:
·
Cesium atomic clocks mempekerjakan
berkas atom cesium. Jam atom cesium memisahkan dari tingkat energi yang berbeda
dengan medan magnet.
·
Hydrogen atomic clocks menjaga atom
hidrogen pada tingkat energi yang dibutuhkan dalam wadah dengan dinding dari bahan
khusus sehingga atom-atom tidak kehilangan keadaan energi yang lebih tinggi
mereka terlalu cepat.
·
Rubidium atomic clocks, paling sederhana dan
paling kompak dari semua, menggunakan sel segelas gas rubidium bahwa perubahan
penyerapan cahaya pada frekuensi rubidium optik ketika frekuensi gelombang
mikro sekitarnya tepat.
Jam atom paling akurat yang tersedia saat ini
menggunakan atom caesium dan medan magnet normal dan detektor. Selain itu, atom
caesium dihentikan dari zipping bolak-balik oleh sinar laser, mengurangi
perubahan kecil pada frekuensi karena efek Doppler.
Perkembangan Jam Atom
Pada tahun 1945, Columbia University profesor fisika Isidor Rabi
menyarankan bahwa jam bisa dibuat dari teknik yang dikembangkan pada tahun
1930-an disebut atomic beam magnetic resonance. Pada 1949, National Bureau of
Standar (NBS, sekarang Institut Nasional Standar dan Teknologi, NIST)
mengumumkan jam atom pertama di dunia dengan menggunakan molekul amonia sebagai
sumber getaran, dan 1952 mengumumkan jam atom pertama yang menggunakan atom
cesium sebagai sumber getaran, NBS-1. Pada tahun 1955, National Physical
Laboratory di Inggris membangun jam cesium-beam pertama kali digunakan sebagai
sumber kalibrasi. Hal
ini menyebabkan persetujuan internasional yang menjelaskan detik sebagai dasar
dari waktu atomik. Selama dekade berikutnya,
bentuk-bentuk lebih maju dari jam diciptakan. Pada tahun 1967, 13 Konferensi
Umum tentang Berat dan Ukuran mendefinisikan detik SI berdasarkan getaran dari
atom caesium, waktu dunia menjaga sistem tidak lagi memiliki dasar astronomi
pada saat itu. NBS-4, jam caesium paling stabil di dunia, selesai tahun 1968,
dan digunakan dalam tahun 1990-an sebagai bagian dari sistem waktu NIST. Pada
tahun 1999, NIST-F1 mulai beroperasi dengan ketidakpastian dari 1,7 bagian
dalam 10 pangkat 15, atau ketepatan sekitar satu detik dalam 20 juta tahun,
sehingga jam paling akurat yang pernah dibuat (perbedaan bersama dengan standar
yang sama di Paris).
Pada
Agustus 2004, ilmuwan NIST mempertunjukkan sebuah jam atom
skala-chip. Menurut para periset, jam ini seukuran seperseratus dari jam
lainnya yang telah ada sebelumnya. Dan mereka menyatakan bahwa jam ini hanya
memerlukan 75 milliwatt, membuatnya cocok untuk aplikasi
yang menggunakan baterai. Jam
radio modern
menggunakan jam atom sebagai referensi, dan menyediakan sebuah cara mendapatkan
waktu yang disediakan oleh jam atom berkualitas tinggi di wilayah yang luas
dengan menggunakan perlatan yang tidak mahal. Jet Propulsion Laboratory (JPL)
di NASA mengembangkan teknologi jam atom terbaru disebut Deep Space Atomic Clock (DSAC) dengan 10 kali lebih akurat
dibanding jam atom saat ini. Teknologi jam atom DSAC berbasis ion merkuri dikembangkan sebagai pengukur waktu untuk misi-misi ruang
angkasa NASA masa depan.
The PHARAO (Projet dHorloge Atomique
nominal Refroidissement den Atomes Orbite) jam atom adalah melekat pada ISS
dalam upaya untuk lebih akurat menguji teori relatif Einstein serta
meningkatkan akurasi Coordinated Universal Time (UTC) antara lain geodesi
percobaan. PHARAO adalah generasi cesium jam atom dengan akurasi yang sesuai
dengan kurang dari satu detik itu melayang setiap 300.000 tahun. PHARAO ini akan
diluncurkan oleh European Space Agency (ESA) pada tahun 2013.
Selama bertahun-tahun, jam atom dianggap sebagai perangkat
yang paling akurat untuk menunjukkan waktu. Jam yang menggunakan partikel
berukuran sub atomik yang bergerak beberapa kali per detik tersebut nyaris
tidak pernah melakukan kesalahan. Namun demikian, kini kehandalan jam atom
sebagai jam yang paling akurat di seluruh dunia kemungkinan akan tergeser oleh jam nuklir karena secara alamiah,
nuklir lebih tahan terhadap gangguan dari luar dibandingkan dengan atom dan
membuat munculnya potensi kesalahan jadi lebih rendah. Meski jam atom mengukur
sejumlah getaran tertentu per detik, kekuatan dari luar seperti medan magnet
dan listrik bisa mempengaruhi elektron yang digunakan dalam jam atom. Ini berpotensi
menimbulkan kesalahan. Di sisi lain, partikel yang digunakan dalam jam nuklir
yang mengukur getaran dan juga menentukan waktu, bisa dipicu menggunakan cahaya
ultraviolet rendah energi. Ini mengakibatkan pengaruh faktor eksternal terhadap
sistem yang ada di dalam jam atom lebih rendah. Dengan metode ini, Corey
Campbell dan rekan-rekan peneliti dari Georgia Institute of Technology,
Atlanta, Amerika Serikat telah membuat skema yang menggunakan laser untuk
mengontrol orientasi spasial dari orbit elektron di dalam atom. Peneliti
mengklaim, jam nuklir yang memiliki thorium nukleus yang dikontrol dengan cara
ini hanya akan meleset hingga satu detik dalam kurun waktu 200 miliar tahun. Namun
demikian, sebelum jam nuklir bisa direalisasikan, peneliti harus
mengidentifikasikan frekuensi cahaya yang tepat yang dibutuhkan untuk memicu
thorium nukleus tersebut.
Cara
kerja
Maser
untuk referensi frekuensi menggunakan ruangan (atau chamber) berbinar berisi
gas terionisasi, pada umumnya caesium, karena caesium adalah elemen yang digunakan di dalam definisi
resmi detik internasional. Sejak tahun 1967, Sistem Satuan
Internasional (SI) telah mendefinisikan detik sebagai 9.192.631.770 getaran
dari radiasi yang berhubungan dengan transisi antara dua tingkat energi dari ground
state atom Caesium-133.
Frekuensi osilasi atom memiliki karakteristik. Mungkin frekuensi
yang paling akrab adalah cahaya oranye dari natrium dalam garam meja jika
ditaburkan pada api. Sebuah atom akan memiliki banyak frekuensi, beberapa pada
panjang gelombang radio, beberapa dalam spektrum terlihat, dan beberapa di
antara dua. Cesium 133 merupakan unsur paling sering dipilih untuk jam atom.
Untuk mengaktifkan resonansi caesium atom menjadi jam atom, perlu
untuk mengukur salah satu transisi atau frekuensi resonansi akurat. Hal ini
biasanya dilakukan dengan mengunci suatu osilator kristal terhadap resonansi
microwave pokok dari atom cesium. Sinyal ini dalam jangkauan gelombang mikro
dari spektrum radio, dan kebetulan berada pada jenis yang sama frekuensi
sebagai sinyal satelit siaran langsung. Insinyur mengerti bagaimana membangun
peralatan di daerah ini dari spektrum dengan sangat rinci.
Untuk membuat jam, cesium adalah pertama dipanaskan sehingga atom
mendidih dan mewariskan tabung dipertahankan pada vakum tinggi. Pertama, mereka
melewati medan magnet yang memilih atom negara energi yang tepat, kemudian
mereka melewati sebuah medan gelombang mikro intens. Frekuensi energi gelombang
mikro menyapu mundur dan maju dalam kisaran yang sempit frekuensi, sehingga
pada beberapa titik di setiap siklus melintasi frekuensi persis 9192631770
Hertz (Hz, atau siklus per detik). Kisaran generator microwave sudah dekat
dengan ini frekuensi yang tepat, karena berasal dari osilator kristal yang
akurat. Ketika sebuah atom cesium menerima energi gelombang mikro tepat pada
frekuensi yang tepat, perubahan negara energi.
Di ujung tabung, lain medan magnet keluar memisahkan atom-atom
yang telah diubah keadaan energi mereka jika medan gelombang mikro adalah tepat
pada frekuensi yang benar. Sebuah detektor pada ujung tabung memberikan output
sebanding dengan jumlah atom cesium mencolok, dan karena itu puncak dalam
output ketika frekuensi gelombang mikro adalah tepat benar. Puncak ini kemudian
digunakan untuk membuat sedikit koreksi yang diperlukan untuk membawa osilator
kristal dan karenanya lapangan tepat pada frekuensi gelombang mikro. Frekuensi
ini dikunci kemudian dibagi dengan 9192631770 untuk memberikan pulsa akrab per
detik yang diperlukan oleh dunia nyata.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar