- Fisikawan untuk pertama kalinya berhasil mengeksitasi secara langsung transisi torium-229 yang telah mereka kejar selama beberapa dekade dengan laser, membuka dasar eksperimental bagi teknologi ultrapresisi seperti jam inti atom
- Transisi inti atom biasanya memerlukan energi setidaknya 1.000 kali lebih besar daripada transisi elektron, tetapi torium-229 telah lama dianggap sebagai kandidat istimewa karena dua keadaan energinya sangat berdekatan
- Tim peneliti TU Wien dan PTB meneliti sekitar 10^17 inti atom sekaligus menggunakan kristal khusus yang mengandung banyak atom torium, dan pada 21 November 2023 mereka memperoleh sinyal yang jelas dengan mencocokkan energi transisi secara tepat
- Setelah energi transisi terkonfirmasi, proses menaikkan inti atom ke keadaan energi yang lebih tinggi lalu melacak kembalinya secara presisi kini dimungkinkan, membuka jalur eksperimen yang menghubungkan fisika kuantum klasik dan fisika inti
- Pencapaian ini dapat mengarah pada eksperimen fisika dasar seperti jam inti atom yang lebih akurat daripada jam atom terbaik saat ini, analisis medan gravitasi, dan pengujian perubahan konstanta alam terhadap waktu dan ruang
Untuk pertama kalinya memicu transisi torium-229 dengan laser
- Transisi torium yang telah lama dicari para fisikawan untuk pertama kalinya berhasil diinduksi ke keadaan tereksitasi oleh laser
- Karena energi transisinya kini diketahui secara tepat, proses memindahkan inti atom ke keadaan energi yang lebih tinggi lalu menelusuri kembalinya ke keadaan semula dapat diamati dengan presisi tinggi
- Hasil ini diperoleh bersama oleh tim riset Thorsten Schumm dari TU Wien dan tim National Metrology Institute Braunschweig (PTB), serta dipublikasikan di Physical Review Letters
- Pencapaian utamanya adalah eksitasi laser tertarget pertama pada inti atom
Mengapa inti atom sulit dimanipulasi
- Atom atau molekul dapat dipindahkan dari satu keadaan kuantum ke keadaan lain jika panjang gelombang laser dicocokkan secara tepat
- Saat ini hal itu dimanfaatkan dalam jam atom, analisis kimia, dan penyimpanan informasi atom serta molekul pada komputer kuantum
- Inti atom juga dapat berpindah di antara keadaan kuantum yang berbeda, tetapi energi yang dibutuhkan umumnya jauh lebih besar
- Perubahan keadaan inti atom biasanya memerlukan energi setidaknya 1.000 kali lebih besar daripada elektron pada atom atau molekul
- Energi foton dari laser biasa tidak cukup untuk memanipulasi inti atom
- Inti atom jauh lebih kecil daripada atom atau molekul sehingga kurang sensitif terhadap gangguan eksternal seperti medan elektromagnetik
- Karena sifat ini, secara prinsip inti atom cocok untuk pengukuran presisi dengan tingkat ketepatan yang belum pernah ada sebelumnya
Mencari energi transisi seperti mencari jarum dalam jerami
- Sejak 1970-an, telah ada dugaan bahwa torium-229 bisa menjadi inti atom khusus yang dapat dimanipulasi dengan laser
- Torium-229 memiliki dua keadaan energi yang sangat berdekatan, sehingga secara prinsip laser bisa cukup untuk mengubah keadaan inti atomnya
- Untuk menginduksi transisi, energi transisi harus diketahui dengan sangat akurat
- Mengetahui energi transisi pada tingkat 1 elektronvolt saja tidak cukup
- Untuk mendeteksi transisi, pencocokan harus dilakukan dengan presisi sekitar sepersejuta elektronvolt
- Tim peneliti mengibaratkan pencarian ini seperti mencari jarum di tumpukan jerami, atau mencari peti harta karun kecil yang terkubur di sebuah pulau sepanjang beberapa kilometer
Cara memperkuat sinyal dengan kristal khusus
- Sejumlah tim mencoba meneliti inti atom torium dengan menahan satu per satu di perangkap elektromagnetik, tetapi tim TU Wien mengembangkan kristal khusus yang mengandung banyak atom torium
- Fabian Schaden dan tim PTB ikut berpartisipasi dalam pengembangan kristal dan pengukuran
- Secara teknis ini rumit, tetapi memungkinkan pengamatan sejumlah sangat besar inti atom sekaligus, bukan hanya inti tunggal
- Laser diarahkan ke sekitar 10^17 inti atom torium secara bersamaan
- Jumlah ini sekitar sejuta kali lebih banyak daripada bintang di galaksi kita
- Banyaknya inti atom memperkuat efek, mengurangi waktu pengukuran yang dibutuhkan, dan meningkatkan peluang menemukan transisi yang sebenarnya
- Pada 21 November 2023, tim peneliti tepat mencocokkan energi yang benar untuk transisi torium dan untuk pertama kalinya memperoleh sinyal yang jelas dari inti atom
- Berkas laser benar-benar mengubah keadaan inti atom
- Setelah peninjauan dan evaluasi data, hasilnya kemudian dipublikasikan
Kemungkinan jam inti atom dan pengukuran presisi
- Setelah diketahui bagaimana cara mengeksitasi keadaan torium, teknik ini dapat digunakan untuk pengukuran presisi
- Salah satu tujuan jangka panjangnya adalah membuat jam inti atom
- Seperti jam bandul menggunakan osilasi bandul sebagai acuan waktu, osilasi cahaya yang mengeksitasi transisi torium dapat digunakan sebagai acuan waktu bagi jam baru
- Jam ini bisa jauh lebih akurat daripada jam atom terbaik yang tersedia saat ini
- Di luar pengukuran waktu, teknik ini juga dapat dimanfaatkan untuk menganalisis medan gravitasi Bumi dengan lebih presisi
- Ini dapat memberi petunjuk tentang sumber daya mineral atau gempa bumi
- Metode pengukuran ini juga dapat diterapkan pada persoalan fisika dasar, seperti apakah konstanta alam benar-benar konstan atau apakah perubahan yang sangat kecil terhadap waktu dapat diukur
- Tim peneliti menyatakan bahwa metode pengukuran saat ini baru merupakan titik awal, dan mereka belum dapat memprediksi hasil apa yang akan diperoleh di masa depan
1 komentar
Opini Hacker News
Saya salah satu penulis makalahnya; kalau ada yang ingin ditanyakan, saya bisa menjawab. Senang melihatnya dibahas di sini
Pengukuran ini sudah dikonfirmasi oleh kelompok lain: https://arxiv.org/abs/2404.12311
Ini penting karena pengotor pada kristal yang digunakan dalam eksperimen dapat menghasilkan berbagai macam fluoresensi yang bisa disalahartikan sebagai sinyal ion torium. Sekarang, karena dua kelompok melihat sinyal yang persis sama pada kristal yang didoping torium yang berbeda, keyakinan bahwa mereka memang menemukan transisi nuklir yang nyata menjadi lebih kuat
Agak aneh bahwa makalah baru ini tidak ada di arXiv, melainkan hanya di situs web kelompok riset [1]
[1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
Katanya, “Jika panjang gelombang laser disetel dengan tepat … mungkin inti atom khusus bernama torium-229 dapat dimanipulasi dengan laser. Pada 21 November 2023, tim akhirnya berhasil. Mereka menyetel energi yang tepat untuk transisi torium, dan untuk pertama kalinya inti atom torium menghasilkan sinyal yang jelas.” Jadi saya penasaran, berapa panjang gelombangnya?
Jawabannya 148.3821 nm. Tentu saja angka itu juga tidak terlalu bermakna bagi saya. Rasanya seperti berita besar yang mengatakan Malaysia Airlines MH-370 ditemukan di suatu lautan di dunia, tetapi tidak memberi tahu lokasinya karena angka seperti “148.3821 km selatan-tenggara Kepulauan Cocos” tidak berarti banyak bagi kebanyakan orang
Jika cahaya tampak dianggap sebagai satu oktaf dan “nada” warna berputar dari merah kembali ke biru, ini setara dengan biru satu oktaf lebih tinggi daripada biru cahaya tampak
Toleransi dan peningkatan kecil pada material sangat mengubah apa yang ekonomis di ujung pipeline sains-rekayasa-fabrikasi. “Membuat benda dengan presisi lebih tinggi” biasanya adalah berita besar. Lihat saja semikonduktor: seluruh industri menciptakan nilai luar biasa dari kemampuan memindahkan atom beberapa nanometer dengan lebih baik
Tidak mencantumkan angka kunci dalam artikel memang tampak bermasalah, tetapi sebenarnya tingkat ekspektasi terhadap pembaca sudah rendah. Angka itu bisa saja bernilai lebih dari 1 triliun dolar bagi seluruh umat manusia, tetapi kebanyakan orang mungkin menganggapnya sekadar trivia untuk obrolan di pesta
Panjang gelombang kandidat saat ini https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 berada di antara 750 nm dan 250 nm. Standar frekuensi sesium memakai panjang gelombang 32,6 mm, jadi sekitar 100.000 kali lebih besar daripada standar frekuensi optik
Kalau hanya dilihat dari frekuensi, saya belum benar-benar paham mengapa transisi nuklir torium jauh lebih baik daripada transisi optik. Kecuali kalau inti daya tariknya memang memperluasnya ke frekuensi yang lebih tinggi
Jadi dari sudut pandang tertentu, muncul gagasan menarik bahwa foton yang dipancarkan ketika keadaan nuklir kembali ke keadaan dasar bisa disebut “ultraviolet gamma”
https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
Dalam praktiknya tidak ada yang akan menyebutnya sinar gamma, tetapi ini gagasan yang menarik
Kalau melihat kromodinamika kuantum dalam gambaran besar, cukup mengejutkan betapa sedikitnya yang benar-benar kita ketahui dengan pasti tentang struktur internal proton atau nukleon
Ini adalah kutukan dari cara “menyelidiki” dengan energi sangat besar. Sulit untuk 100% yakin apakah kita mendeteksi sesuatu yang memang benar-benar ada di sana, atau hanya melihat produk sampingan dari energi tumbukan raksasa
Para fisikawan itu cerdas dan melakukan hal-hal yang tidak bisa saya lakukan. Meski begitu, ada batas pada kepastian, dan khususnya di dalam proton masih ada prinsip pertama yang belum kita ketahui bekerja. Membawa presisi foton dan laser ke dunia nukleon ini tampaknya akan menjadi hal yang luar biasa
Ini pada gilirannya bisa menjadi cara untuk menyelidiki efek gravitasi kuantum
1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay
Senang melihat hal ini benar-benar terjadi. Dulu, ketika mencoba ini dengan ion terperangkap, saya dan rekan-rekan di GaTech untuk pertama kalinya berhasil memerangkap dan mendinginkan dengan laser Th(232) 3+
https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...
Bagian “dapat menganalisis medan gravitasi Bumi dengan jauh lebih presisi, sehingga memberikan petunjuk tentang sumber daya mineral atau tanda-tanda gempa” bukankah juga punya aplikasi militer?
Bisa dipakai di kapal selam nuklir sebagai pengganti GPS
https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
https://news.ycombinator.com/item?id=36222625
Menurut makalahnya, cahayanya sekitar 140 nm, yaitu UV-C di sekitar 8,4 eV. Namun untuk memicu transisi, energinya harus cocok dengan sangat tepat. Sebab pada keadaan inti tidak ada tempat untuk membuang energi sisa
Relasi ketidakpastian biasanya ditulis delta-p delta-x > hbar/2, tetapi juga bisa ditulis delta-t delta-E > hbar/2. Jadi jika waktu paruh sangat panjang, delta-E bisa menjadi sangat kecil
Fakta ini digunakan dalam spektroskopi Mössbauer, yaitu emisi gamma tanpa recoil pada benda padat. Puncaknya begitu tajam sehingga Pound dan Rebka menggunakannya untuk mendeteksi pergeseran merah gravitasi di laboratorium Harvard pada 1960, dan pada 1964 mencapai akurasi 1%
https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
Keadaan tereksitasi atom lain yang saya tahu hanya keadaan tereksitasi besi yang dipakai dalam spektroskopi Mössbauer, dan transisi itu energinya jauh lebih tinggi. Selain itu, yang itu juga agak berkopel dengan keadaan elektron inti. Saya juga penasaran apakah ada alasan khusus mengapa transisi torium ini tidak berkopel dengan keadaan elektron
Katanya “jika menganalisis medan gravitasi Bumi dengan sangat presisi, itu bisa memberikan petunjuk tentang sumber daya mineral”; saya penasaran bagaimana itu bisa dilakukan
Saya pernah memikirkan ide ala SF bahwa dengan pengukuran medan gravitasi yang cukup sensitif, mungkin kita bisa mendeteksi kapal selam yang lewat. Matematikanya belum pasti, tetapi kalau memungkinkan, itu bisa melumpuhkan sebagian besar strategi nuklir. Perlu saya hitung-hitung lagi
Pendulum Eötvös, atau neraca torsi Eötvös, yang dirancang pada 1888 memulai pengukuran semacam ini. Pada 1920-an, para geofisikawan umum memakainya untuk mengukur gradien medan gravitasi dengan sangat presisi dan memetakan endapan bawah tanah
Belakangan, alat itu digantikan oleh peralatan eksplorasi yang lebih baik. Perangkat ini awalnya dibuat untuk eksperimen yang menunjukkan bahwa massa inersia dan massa gravitasi sama dengan presisi sangat tinggi—lebih tepatnya, berkorelasi secara linear
https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
https://www.nature.com/articles/118406a0
Deteksi kapal selam jauh lebih sulit, dan seperti yang sudah dikatakan orang lain, secara praktis mustahil
Kalau ingatan saya benar, Royal Navy secara resmi mengujinya untuk pertama kali tahun lalu
Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
Jarak deteksinya cukup pendek, tetapi masih cukup untuk dipakai dari pesawat yang terbang di atasnya
Pencapaian ini adalah langkah menuju tujuan membuat jam atom yang menggunakan torium-229, dan merupakan salah satu langkah terpentingnya
Saya pernah diberi tahu bahwa mimpi ini mustahil, tetapi kalau saya harus memakai satu permintaan jin, saya akan memilih ini. Saat ini fisi membelah melintasi separuh tabel periodik dan menciptakan segala macam masalah
Saya tidak punya waktu untuk menulis rinci sekarang, tetapi ini benar-benar berita yang menggairahkan
Mencari garis torium adalah salah satu masalah terbuka terpenting dalam pengukuran presisi dan fundamental