Absolute frequency measurement of the $^{40}$Ca$^{+}$ clock transition using a GNSS link to the SI second

يُقاس الوقت، في جوهره الأكثر أساسية، من خلال عدّ النبضات المنتظمة والمستقرة لذرة ما. ولعقود من الزمن، تم تعريف الثواني الرسمية في العالم من خلال اهتزازات ذرات السيزيوم، وهو معيار خدم البشرية بشكل جيد. ومع ذلك، سعى العلماء منذ فترة طويلة إلى وسيلة أكثر دقة لضبط الوقت، تعتمد على ذرات تهتز بسرعات أعلى بكثير، باستخدام الضوء بدلاً من الموجات الدقيقة (الميكروويف). هذه الساعات الذرية البصرية حساسة للغاية لدرجة أنها تستطيع اكتشاف أدنى التغييرات في الجاذبية أو في مرور الوقت نفسه. ولكي تكون هذه الساعات مفيدة، يجب مقارنتها بالوقت الرسمي الذي تحتفظ به المختبرات الوطنية، ولكن القيام بذلك يتطلب جسراً يمكنه نقل الإشارة عبر مئات الكيلومترات دون فقدان دقتها.

في دراسة حديثة، قام باحثون في مدينة إنسبروك بالنمسا، ببناء مثل هذا الجسر لقياس التردد الدقيق لساعة محددة تعتمد على أيون كالسيوم واحد. وقد ربطوا مختبرهم بمركز ضبط الوقت الأساسي في براونشفايغ بألمانيا، باستخدام شبكة من أقمار الملاحة الاصطناعية. ومن خلال القيام بذلك، حددوا التردد المطلق لانتقال ساعة الكالسيوم بمستوى من الدقة لم يسبق تحقيقه لهذا الإعداد المحدد. ولم يوفر عملهم رقماً جديداً وعالي الدقة لسرعة نبض هذه الساعة فحسب، بل صحح أيضاً تضارباً طويل الأمد في السجل العلمي، وعزز فهمنا لكيفية تفاعل المجالات المغناطيسية مع الذرة.

تركزت التجربة على أيون كالسيوم واحد، وهي ذرة فقدت إلكتروناً واحداً، محتجزة في غرفة مفرغة من الهواء بواسطة قوى كهربائية ومغناطيسية غير مرئية. يعمل هذا الأيون كبندول الساعة. ولجعله ينبض، يسلط الباحثون شعاع ليزر بلون محدد جداً، وهو الأحمر الداكن، على الذرة. وعندما يتطابق تردد الليزر مع الاهتزاز الطبيعي للأيون، تمتص الذرة الطاقة وتنتقل إلى حالة طاقة أعلى. ويبحث الباحثون عن اللحظة الدقيقة التي يحدث فيها ذلك، والتي تحدث عند تردد قدره 411,042,129,776,401.2 هرتز. ويمثل هذا الرقم عدد المرات التي تهتز فيها الذرة في الثانية الواحدة. وللقياس بهذه الدقة المتناهية، كان عليهم التأكد من عدم وجود أي عامل خارجي، مثل المجالات المغناطيسية الشاردة أو حرارة البيئة المحيطة، يدفع الرقم قلياً عن مساره.

ولربط ساعتهم المحلية بالمعيار الدولي، أنشأ الفريق رابطاً مع المعهد الفيدرالي الفيزيائي لتقنية القياس (PTB) في براونشفايغ، وهو المعهد الوطني الألماني للقياس الذي يساعد في تحديد التوقيت العالمي المنسق. واستخدموا "مازر الهيدروجين الخامل" (passive hydrogen maser)، وهو جهاز يولد إشارة مستقرة للغاية، كمرجع محلي. ثم تمت مقارنة هذه الإشارة بالوقت الذي تحتفظ به الأقمار الصناعية في نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية. ومن خلال تحليل الوقت الذي استغرقته الإشارات للسفر بين مختبرهم، والأقمار الصناعية، والمختبر الألماني، تمكنوا من حساب الفرق الدقيق بين ساعتهم المحلية والوقت الدولي الرسمي. هذه الطريقة، المعروفة باسم "تحديد الموقع الدقيق للنقاط" (Precise Point Positioning)، سمحت لهم بنقل معيار الوقت عبر مسافة عدة مئات من الكيلومترات بأقل قدر من الخطأ.

استمرت حملة القياس لمدة عشرة أيام في يونيو 2021. وخلال هذه الفترة، فحص الباحثون الأيون ست مرات، باستخدام إعدادات مغناطيسية مختلفة قليلاً لكل فحص. وقد سمحت هذه الاستراتيجية الذكية بإلغاء العديد من مصادر الخطأ التي عادة ما تعيق مثل هذه القياسات، بما في ذلك الانزياحات الناتجة عن المجال المغناطيسي للأرض والمجالات الكهربائية داخل المصيدة. ومع ذلك، اكتشفوا أن تأثيراً طفيفاً ناتجاً عن تيارات التردد الراديوي المستخدمة لتثبيت الأيون كان لا يزال يؤثر على النتائج. وتخلق هذه التيارات مجالاً مغناطيسياً متذبذباً ضئيلاً يزيح مستويات طاقة الذرة بطريقة لم تؤخذ في الحسبان بالكامل في القياسات السابقة. ومن خلال قياس هذا التأثير بعناية، تمكن الفريق من تصحيح بياناتهم وحساب قيمة جديدة وأكثر دقة لخاصية أساسية لذرة الكالسيوم تُعرف باسم "عامل لانديه g" (Landé g-factor)، والذي يصف كيفية استجابة الذرة للمجالات المغناطيسية.

النتيجة النهائية لعملهم هي قياس لتردد انتقال ساعة الكالسيوم مع نسبة عدم يقين جزئية تبلغ 1.5 في 10 أس 15. ولوضع هذا المستوى من الدقة في الاعتبار، فإنه إذا كانت هذه الساعة قد بدأت بالنبض عند بداية الكون، لكانت قد انحرفت عن الوقت الفعلي بأقل من ثانية واحدة اليوم. وتضع هذه النتيجة قياسهم في توافق مع الدراسات الأخيرة من مختبرات أخرى في الصين وإسرائيل، لكنها تتعارض مع القياسات السابقة من عام 2009 إلى 2012. ويعتقد الباحثون أن النتائج السابقة كانت أقل دقة لأنها لم تأخذ في الحسبان بالكامل المجالات المغناطيسية المتذبذبة الناتجة عن المصيدة نفسها. ومن خلال تضمين هذا العامل، يحل القياس الجديد الخلاف ويوفر معياراً أكثر موثوقية للمستقبل.

بعيداً عن الرقم المحدد، توضح الدراسة قوة استخدام روابط الأقمار الصناعية لمقارنة الساعات الأكثر تقدماً في العالم. وبينما يمكن للكابلات ذات الألياف الضوئية أن توفر استقراراً أفضل، إلا أنها ليست عملية دائماً لمدها بين المدن البعيدة. ويقدم رابط الأقمار الصناعية المستخدم هنا طريقة أبسط وأكثر سهولة للتحقق من أن الساعات البصرية حول العالم متسقة مع بعضها البعض. كما أكد الباحثون أن قياساتهم كانت محدودة في المقام الأول باستقرار "مازر الهيدروجين" المحلي الخاص بهم، مما يشير إلى إمكانية إجراء تحسينات مستقبلية باستخدام مصدر مرجعي أكثر استقراراً. ويمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو الجهود العالمية لإعادة تعريف الثانية واستخدام هذه الساعات فائقة الدقة لاختبار القوانين الأساسية للفيزياء.