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An \Al clock with $1.6\times10^{-18}$ systematic uncertainty and its frequency ratios

यह शोध पत्र एक Al $^+$ सिंगल-आयन ऑप्टिकल क्लॉक का पूर्ण व्यवस्थित मूल्यांकन प्रस्तुत करता है जिसने $1.6\times10^{-18}$ की भिन्नात्मक आवृत्ति अनिश्चितता (fractional frequency uncertainty) प्राप्त की है, साथ ही इसके पूर्ण आवृत्ति और एक Sr ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक के साथ इसके अनुपात के सटीक मापन भी प्रस्तुत करता है, जो पिछले BACON सहयोग के परिणामों से महत्वपूर्ण विचलन दर्शाते हैं और सेकंड के निरंतर पुनर्गठन का समर्थन करते हैं।

मूल लेखक: Fabian Dawel, Johannes Kramer, Derwell Drapier, Lennart Pelzer, Kai Dietze, Mirza A. Ali, Marek Hild, Vincent Barbé, Steven A. King, Joshua Klose, Kilian Stahl, Johannes Rahm, Navraj Poudel, Sören Dör

प्रकाशित 2026-06-23

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Fabian Dawel, Johannes Kramer, Derwell Drapier, Lennart Pelzer, Kai Dietze, Mirza A. Ali, Marek Hild, Vincent Barbé, Steven A. King, Joshua Klose, Kilian Stahl, Johannes Rahm, Navraj Poudel, Sören Dörscher, Stefan Weyers, Erik Benkler, Christian Lisdat, Piet O. Schmidt

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

समय की कल्पना एक नदी के रूप में करें। दशकों से, हमने उस नदी की गति को सीज़ियम परमाणुओं के कंपन (जो कि "सेकंड" की वर्तमान परिभाषा है) पर आधारित एक बहुत अच्छे, लेकिन थोड़े डगमगाते हुए स्टॉपवॉच का उपयोग करके मापा है। अब, वैज्ञानिकों ने एक एकल एल्युमीनियम आयन का उपयोग करके एक नए प्रकार का स्टॉपवॉच बनाया है जो इतना सटीक है कि यह शायद ही कभी डगमगाता है। यह नया क्लॉक इतना सटीक है कि यदि यह ब्रह्मांड की शुरुआत में टिक-टिक करना शुरू करता, तो आज यह एक सेकंड से भी कम के अंतर पर होता।

यह शोध पत्र उस नए एल्युमीनियम क्लॉक के लिए "गुणवत्ता नियंत्रण रिपोर्ट" है, जिसे जर्मनी में फिज़िकालिश-टेक्निशे बुंडेसआन्स्टाल्ट (PTB) की एक टीम द्वारा बनाया गया है। यहाँ उन्होंने क्या पाया, इसे सरल शब्दों में समझाया गया है:

1. लक्ष्य: एक बेहतर स्टॉपवॉच बनाना

वैज्ञानिकों चाहते थे कि वे यह सिद्ध करें कि उनका एल्युमीनियम क्लॉक पुराने सीज़ियम वाले क्लॉक को बदलने के लिए तैयार है। इसे करने के लिए, उन्हें दो काम करने थे:

आंतरिक यांत्रिकी की जाँच करना: उन्हें हर उस छोटी चीज़ को खोजना था जो क्लॉक को बहुत तेज़ या बहुत धीमा कर सकती है (जैसे गियर पर धूल का एक कण) और यह गणना करनी थी कि उसका प्रभाव वास्तव में कितना है।
अन्य घड़ियों के साथ तुलना करना: उन्होंने अपने एल्युमीनियम क्लॉक की तुलना लैब में मौजूद दो अन्य शीर्ष-स्तरीय घड़ियों से की: एक स्ट्रोंटियम लैटिस क्लॉक (जो कई परमाणुओं से बनी है) और आधिकारिक सीज़ियम फाउंटेन क्लॉक्स (जो वर्तमान गोल्ड स्टैंडर्ड है)।

2. "ट्यूनिंग" की प्रक्रिया: अदृश्य शक्तियों से लड़ना

एल्युमीनियम आयन एक वैक्यूम चैंबर में फंसा हुआ है, लेकिन यह पूरी तरह से स्थिर नहीं है। टीम को उन कई "अदृश्य शक्तियों" का हिसाब रखना पड़ा जो समय की गणना को बिगाड़ने की कोशिश करती हैं। इन्हें पर्यावरणीय शोर के रूप में समझें:

चुंबकीय क्षेत्र (Magnetic Fields): एक दिशा-सूचक यंत्र (कंपास) की तरह, आयन चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया करता है। टीम ने मुख्य चुंबकीय शोर को रद्द करने के लिए एक विशिष्ट तकनीक (दो अलग-अलग अवस्थाओं का औसत निकालना) का उपयोग किया, जिससे केवल अनिश्चितता की एक बहुत ही सूक्ष्म और प्रबंधनीय आहट ही बची।
ट्रैप का "जिटर" (The "Jitter" of the Trap): आयन को रेडियो तरंगों द्वारा पकड़ा जाता है। कभी-कभी, ये तरंगें आयन को केंद्र से थोड़ा विचलित कर देती हैं, जिससे उसमें थरथराहट (जिटर) होने लगती है। इसे "एक्सेस माइक्रोमोशन" कहा जाता है। टीम ने इस जिटर को महसूस करने और एल्युमीनियम आयन को वापस केंद्र में धकेलने के लिए कैल्शियम के दूसरे आयन को एक "संदेशवाहक" के रूप में उपयोग किया, जैसे कि एक डांस पार्टनर आपके कदमों को सुधारने के लिए मदद करता है।
गर्मी और टकराव (Heat and Collisions): वैक्यूम में भी, गैस के बिखरे हुए अणु आयन से टकरा सकते हैं, और दीवारों से निकलने वाली गर्मी ऊर्जा उत्सर्जित कर सकती है। टीम ने यह गणना करने के लिए वैक्यूम चैंबर के तापमान और दबाव को मापा कि इन धक्कों और गर्मी की लहरों ने क्लॉक की गति को कितना धीमा किया।
डॉपलर प्रभाव (The "Doppler" Effect): यदि आयन उस लेज़र बीम की ओर या उससे दूर जा रहा है जिसका उपयोग क्लॉक को पढ़ने के लिए किया जाता है, तो उसकी पिच बदल जाती है (जैसे पास से गुजरती हुई एम्बुलेंस का सायरन)। टीम ने इस प्रभाव को बेअसर करने के लिए विपरीत दिशाओं से लेज़र किरणों का उपयोग किया।

इन सभी कारकों को ध्यान में रखने के बाद, उन्होंने क्लॉक की कुल "सिस्टमैटिक अनसर्टेंटी" (व्यवस्थित अनिश्चितता) की गणना 1.6 × 10⁻¹⁸ की थी।

उपमा: यह संख्या इतनी छोटी है कि इसे समझना कठिन है। कल्पना कीजिए कि आप पृथ्वी से सूर्य तक की दूरी माप रहे हैं। यह क्लॉक इतनी सटीक है कि यदि आप उस दूरी को मापते, तो आपकी त्रुटि (error) एक अकेले मानव बाल की चौड़ाई से भी कम होती।

3. बड़ी खोज: एक रहस्यमय विसंगति

यहाँ मामला दिलचस्प हो जाता है। टीम ने अपने एल्युमीनियम क्लॉक की तुलना उसी लैब में मौजूद स्ट्रोंटियम क्लॉक (स्ट्रोंटियम परमाणुओं से बनी एक अन्य अति-सटीक घड़ी) से की।

परिणाम: उन्होंने दोनों घड़ियों की फ्रीक्वेंसी के अनुपात (एल्युमीनियम क्लॉक स्ट्रोंटियम की टिक-टिक के लिए कितनी बार टिक करती है) को मापा।
आश्चर्य: उनका परिणाम "BACON" (बोल्डर एटॉमिक क्लॉक ऑप्टिकल नेटवर्क) नामक एक प्रसिद्ध अंतर्राष्ट्रीय समूह द्वारा किए गए पिछले माप से मेल नहीं खाया।
- 2021 के BACON परिणाम की तुलना में, उनका परिणाम 8.6 मानक विचलन (standard deviations) से अलग था। विज्ञान में, यह एक बहुत बड़ा अंतर है, जैसे कि सिक्के को 10 बार उछालने पर हर बार 'हेड्स' आना, जबकि आप मिश्रण की उम्मीद कर रहे थे।
- 2025 के नए BACON परिणाम की तुलना में, यह अभी भी अलग था, लेकिन केवल 1.2 मानक विचलन का।

इसका अर्थ क्या है: यह शोध पत्र यह नहीं कहता कि एक घड़ी "गलत" है और दूसरी "सही" है। इसके बजाय, यह इस बात पर प्रकाश डालता है कि जब अलग-अलग प्रयोगशालाएं इन अविश्वसनीय रूप से सटीक घड़ियों को मापती हैं, तो वे कभी-कभी थोड़े अलग उत्तर प्राप्त करती हैं। यह सुझाव देता है कि अभी भी कुछ सूक्ष्म, छिपे हुए कारक हैं जिन्हें हम पूरी तरह से नहीं समझते हैं। यह इस रहस्य को सुलझाने के लिए अधिक स्वतंत्र टीमों द्वारा अपने काम की जांच करने का एक आह्वान है।

4. पूर्ण समय (The Absolute Time)

टीम ने अपने एल्युमीनियम क्लॉक की "एब्सोल्यूट फ्रीक्वेंसी" को भी मापा—अर्थात, यह एक सेकंड में कितनी बार टिक करती है। उन्होंने पाया कि यह प्रति सेकंड 1,121,015,393,207,859.19 बार टिक करती है। यह संख्या अन्य शीर्ष प्रयोगशालाओं (जैसे अमेरिका में NIST) द्वारा पाए गए परिणामों से मेल खाती है, जो इस बात का विश्वास दिलाती है कि क्लॉक सही ढंग से काम कर रही है।

सारांश

यह शोध पत्र एक सुपर-प्रिसिजन एल्युमीनियम आयन क्लॉक के लिए एक कठोर "स्वास्थ्य जांच" है।

यह काम करता है: क्लॉक अविश्वसनीय रूप से स्थिर और सटीक है, जिसकी व्यवस्थित अनिश्चितता 1.6 × 10⁻¹⁸ है।
यह तैयार है: यह भविष्य में अंतरराष्ट्रीय "सेकंड" को फिर से परिभाषित करने में मदद करने के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है।
पहेली: एल्युमीनियम-टू-स्ट्रोंटियम क्लॉक अनुपात के संबंध में इस लैब के माप और BACON सहयोग के पिछले माप के बीच एक महत्वपूर्ण असहमति है। यह विसंगति सिद्ध करती है कि इस स्तर की सटीकता पर भी, हमें यह सुनिश्चित करने के लिए कि हम वास्तव में समझते हैं कि ये घड़ियाँ कैसे व्यवहार करती हैं, अधिक स्वतंत्र जांच की आवश्यकता है।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि हमने बहुत बड़ी प्रगति की है, लेकिन तथ्य यह है कि विभिन्न प्रयोगशालाएं इस स्तर की सटीकता पर थोड़े अलग परिणाम देखती हैं, यह एक याद दिलाने वाला संकेत है कि विज्ञान जांच और पुन: जांच की एक निरंतर प्रक्रिया है।

तकनीकी सारांश: $1.6 \times 10^{-18}$ व्यवस्थित अनिश्चितता और आवृत्ति अनुपातों के साथ एक $\text{Al}^+$ घड़ी का मूल्यांकन

समस्या और प्रेरणा
ट्रैप्ड आयनों और तटस्थ परमाणुओं पर आधारित ऑप्टिकल घड़ियाँ माइक्रोवेव घड़ियों की तुलना में स्थिरता और सटीकता में दो से अधिक क्रम अधिक उन्नत हो गई हैं, जो $10^{-18}$ के निम्न स्तर की व्यवस्थित अनिश्चितताओं तक पहुँच गई हैं। ये प्रगति SI सेकंड के पुनर्गठन (redefinition) को प्रेरित करती है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके लिए व्यवस्थित अनिश्चितताओं का कठोर मूल्यांकन और विभिन्न घड़ी कार्यान्वयनों के बीच मजबूत निरंतरता की आवश्यकता होती है। जबकि एक ही प्रजाति की घड़ियों के बीच आवृत्ति अनुपात माप किए गए हैं, विभिन्न प्रजातियों और संस्थानों के बीच $10^{-17}$ के स्तर पर विसंगतियाँ पहचानी गई हैं। यह ऑप्टिकल घड़ियों के स्वतंत्र सत्यापन की आवश्यकता को रेखांकित करता है, विशेष रूप से $\text{Al}^+$ (एल्युमीनियम आयन) जैसे संभावित प्रणालियों के लिए, ताकि सेकंड के भविष्य के पुनर्गठन के लिए आवश्यक विश्वसनीयता सुनिश्चित की जा सके।

कार्यप्रणाली
लेखक जर्मनी के फिज़िकालिश-टेक्निशे बुंडेसanstalt (PTB) में एक एकल-आयन $^{27}\text{Al}^+$ घड़ी के पूर्ण मूल्यांकन को प्रस्तुत करते हैं। यह घड़ी अवस्था तैयारी (state preparation), शीतलन (cooling) और पठन (readability) के लिए एक सह-ट्रैप्ड $^{40}\text{Ca}^+$ आयन के साथ क्वांटम लॉजिक स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करती है।

प्रायोगिक सेटअप: एक लीनियर पॉल ट्रैप एक $^{27}\text{Al}^+ / ^{40}\text{Ca}^+$ आय क्रिस्टल को सीमित करता है। सिस्टम एक अल्ट्रा-हाई-वैक्यूम चैंबर ( $11(6)$ nPa) में संचालित होता है। एक 0.15 mT का चुंबकीय बायस फील्ड $<2$ nT तक स्थिर किया गया है।
घड़ी का संचालन: घड़ी $^{27}\text{Al}^+$ के $^1\text{S}_0 \leftrightarrow {}^3\text{P}_0$ ट्रांज़िशन की जांच करती है। इस चक्र में ऑप्टिकल पंपिंग, $^{40}\text{Ca}^+$ आयन का डॉप्लर कूलिंग, और मोशनल ग्राउंड स्टेट तैयार करने के लिए इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली इंड्यूस्ड ट्रांसपेरेंसी (EIT) कूलिंग शामिल है। क्लॉक ट्रांज़िशन को 25 ms $\pi/2$ पल्स और 250 ms डार्क टाइम के साथ रेम्से सीक्वेंस (Ramsey sequence) का उपयोग करके प्रोब किया जाता है। टाइम डाइलेशन शिफ्ट (TDS) को कम करने के लिए इंटरोगेशन के दौरान निरंतर EIT कूलिंग लागू की जाती है।
व्यवस्थित शिफ्ट मूल्यांकन: लेखकों ने सभी प्रासंगिक व्यवस्थित आवृत्ति शिफ्ट का मूल्यांकन किया है, जिनमें शामिल हैं:
- चुंबकीय क्षेत्र: $\Delta m_F = 0$ ट्रांज़िशन के औसत द्वारा प्रथम-क्रम ज़ीमन शिफ्ट (Zeeman shifts) को दबा दिया जाता है। द्वितीय-क्रम के शिफ्टों की गणना मापे गए क्षेत्र स्ट्रेंथ और परमाणु गुणांकों का उपयोग करके की जाती है।
- डॉप्लर प्रभाव: प्रथम-क्रम डॉप्लर शिफ्ट का निर्धारण काउंटर-प्रोपेगेटिंग प्रोब बीम की तुलना करके किया जाता है। टाइम डाइलेशन शिफ्ट (TDS) की गणना मोशनल मोड्स के साइडबैंड थर्मोमेट्री के आधार पर की जाती है।
- एक्सेस माइक्रोमशन (EMM): EMM की निगरानी और क्षतिपूर्ति $^{40}\text{Ca}^+$ आयन पर फेज-मॉड्यूलेटेड साइडबैंड स्पेक्ट्रोस्कोपी (PMSS) का उपयोग करके की जाती है, जिसमें शिफ्ट को $^{27}\text{Al}^+$ में स्थानांतरित किया जाता है।
- लाइट शिफ्ट: क्लॉक लेजर, कूलिंग लेजर और EIT कूलिंग लेजर से उत्पन्न AC स्टार्क शिफ्ट का मूल्यांकन किया गया है, जिनमें से अंतिम (EIT) विभेदक ध्रुवीकरण (differential polarizability) के कारण प्रमुख अनिश्चितता स्रोत है।
- टकराव (Collisions): बैकग्राउंड गैस टकरावों के कारण होने वाले शिफ्ट को दबाव माप और सैद्धांतिक मॉडलों के आधार पर मॉडल किया गया है।
- अन्य प्रभाव: सर्वो त्रुटियां (Servo errors), ब्लैकबॉडी रेडिएशन (BBR) शिफ्ट और इलेक्ट्रिक क्वाड्रुपोल शिफ्ट को मात्रात्मक रूप से निर्धारित किया गया है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

व्यवस्थित अनिश्चितता बजट: $^{27}\text{Al}^+$ घड़ी की कुल व्यवस्थित भिन्नात्मक आवृत्ति अनिश्चितता (systematic fractional frequency uncertainty) का मूल्यांकन $1.6 \times 10^{-18}$ किया गया है। प्राथमिक सीमाएँ प्रासंगिक परमाणु गुणांकों (विशेष रूप से AC स्टार्क शिफ्ट और चुंबकीय g-फैक्टर के लिए) की सटीकता और बैकग्राउंड गैस टकराव हैं।
निरपेक्ष आवृत्ति माप: $^{27}\text{Al}^+$ घड़ी की निरपेक्ष आवृत्ति का मापन PTB की प्राथमिक सीज़ियम फाउंटेन घड़ियों (CSF1 और CSF2) और $^{87}\text{Sr}$ ऑप्टिकल लैटिस घड़ी के साथ तुलना के माध्यम से किया गया था। परिणाम है:
$\nu_{\text{Al}^+} = 1\,121\,015\,393\,207\,859.19(24) \text{ Hz}$
यह $2.1 \times 10^{-16}$ की सापेक्ष अनिश्चितता के अनुरूप है।
आवृत्ति अनुपात माप: $^{27}\text{Al}^+$ घड़ी और PTB की $^{87}\text{Sr}$ ऑप्टिकल लैटिस घड़ी (Sr3) के बीच आवृत्ति अनुपात निर्धारित किया गया था:
$\nu_{\text{Al}^+}/\nu_{^{87}\text{Sr}} = 2.611\,701\,431\,781\,462\,668(36)$
यह माप Sr घड़ी की सटीकता ( $1.3 \times 10^{-17}$ ) द्वारा सीमित है।

विसंगतियां और सत्यापन
मापा गया आवृत्ति अनुपात BACON सहयोग द्वारा प्रकाशित 2021 के मान से $8.6\sigma$ भिन्न है और उनके 2025 के मान से $1.2\sigma$ भिन्न है। लेखक नोट करते हैं कि यह विसंगति अनुमानित व्यवस्थित अनिश्चितता बजटों को मान्य करने के लिए विभिन्न संस्थानों के बीच घड़ी-उम्मीदवार आवृत्ति अनुपातों के स्वतंत्र मापों की महत्वपूर्ण आवश्यकता को रेखांकित करती है।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि ये परिणाम ऑप्टिकल घड़ियों का उपयोग करके सेकंड के भविष्य के पुनर्गठन की दिशा में एक महत्वपूर्ण योगदान हैं। $1.6 \times 10^{-18}$ की व्यवस्थित अनिश्चितता प्रदर्शित करके और एक स्वतंत्र आवृत्ति अनुपात माप प्रदान करके, यह कार्य $^{27}\text{Al}^+$ को एक उम्मीदवार प्रणाली के रूप में शामिल करने का समर्थन करता है। हालाँकि, संस्थानों के बीच $10^{-17}$ स्तर पर देखे गए विचलन इस बात की याद दिलाते है कि सेकंड के पुनर्गठन को अंतिम रूप देने से पहले ऑप्टिकल घड़ियों के सत्यापन के लिए अंतर-संस्थागत तुलनाएँ अनिवार्य बनी हुई हैं।

1. लक्ष्य: एक बेहतर स्टॉपवॉच बनाना

2. "ट्यूनिंग" की प्रक्रिया: अदृश्य शक्तियों से लड़ना

3. बड़ी खोज: एक रहस्यमय विसंगति

4. पूर्ण समय (The Absolute Time)

सारांश

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