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Absolute frequency measurement of the $^{176}$ Lu $^+\,(^{3}\mathrm{D}_1)$ standard against the NRC-FCs2 fountain with $2.6\times10^{-16}$ uncertainty

यह शोध पत्र NRC-FCs2 सीज़ियम फाउंटेन के विरुद्ध $^{176}$ Lu $^+$ ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी मानक के एक बेहतर पूर्ण आवृत्ति मापन की रिपोर्ट करता है, जो $2.6 \times 10^{-16}$ की भिन्नात्मक अनिश्चितता प्राप्त करता है जो पिछले CIPM अनुशंसित मान की पुष्टि करता है और अनिश्चितता को 3.6 के कारक से कम करता है।

मूल लेखक: K. J. Arnold, Bin Jian, Zhao Zhang, Qi Zhao, Qin Qichen, N. Jayjong, M. D. K. Lee, Scott Beattie, M. D. Barrett

प्रकाशित 2026-07-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: K. J. Arnold, Bin Jian, Zhao Zhang, Qi Zhao, Qin Qichen, N. Jayjong, M. D. K. Lee, Scott Beattie, M. D. Barrett

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 को एक नदी के रूप में कल्पना करें। दशकों से, हम इस नदी के प्रवाह को एक विशेष प्रकार के पत्थर (सीज़ियम परमाणु) का उपयोग करके मापते रहे हैं, जो एक बहुत ही स्थिर, लेकिन अपेक्षाकृत धीमी लय में ऊपर-नीचे डोलता है। हमारे वर्तमान "सेकंड" की परिभाषा इसी तरह काम करती है। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने एक अलग प्रकार के पत्थर (लुटेटियम आयन) का उपयोग करके एक बहुत तेज़ और अधिक सटीक लय की खोज की है। यह नई लय इतनी तेज़ है कि यह एक धीमी गति वाले कछुए की तुलना में हमिंगबर्ड (गुंजन करने वाले पक्षी) के पंखों की फड़फड़ाहट की तरह है।

यह शोध पत्र उस हमिंगबर्ड की फड़फड़ाहट को अत्यधिक सटीकता के साथ मापने की एक उच्च-दांव वाली दौड़ की रिपोर्ट कार्ड है। यह बताया गया है कि उन्होंने इसे कैसे किया, जिसे सरल भागों में विभाजित किया गया है:

1. लक्ष्य: "हमिंगबर्ड" को मापना

सिंगापुर के वैज्ञानिकों ने लुटेटियम (एक दुर्लभ धातु) के एक एकल आयन का उपयोग करके एक अति-सटीक घड़ी बनाई। यह घड़ी प्रति सेकंड लगभग 353 ट्रिलियन बार टिक करती है।

चुनौती: इस घड़ी की सटीकता को सिद्ध करने के लिए, उन्हें समय की गणना के "स्वर्ण मानक" (गोल्ड स्टैंडर्ड): ओटावा, कनाडा में स्थित एक सीज़ियम फाउंटेन क्लॉक के विरुद्ध तुलना करनी थी।
समस्या: वे दोनों घड़ियाँ 13,000 किलोमीटर दूर हैं। आप घड़ियों को एक साथ नहीं ला सकते। उन्हें बिना सटीकता खोए रिमोटली (दूर बैठकर) तुलना करने के लिए एक तरीके की आवश्यकता थी।

2. सेतु: एक डिजिटल "रस्सी"

दोनों घड़ियों को जोड़ने के लिए, उन्होंने PPP-AR नामक एक विशेष GPS लिंक का उपयोग किया।

उपमा: कल्पना कीजिए कि दो लोग एक घाटी के विपरीत छोरों पर खड़े हैं, और प्रत्येक के पास एक स्टॉपवॉच है। उनकी तुलना करने के लिए, वे आपस में एक रस्सी फेंकते हैं। यदि रस्सी हिल रही है या खिंच रही है, तो तुलना खराब हो जाएगी।
समाधान: वैज्ञानिकों ने एक "स्मार्ट रस्सी" (GPS लिंक) का उपयोग किया जो इतनी स्थिर है कि वह एक सेकंड के अरबवें हिस्से के अरबवें हिस्से से भी छोटे अंतर का पता लगा सकती है। इसने सिंगापुर की घड़ी को कनाडा की घड़ी से इस तरह जोड़ने की अनुमति दी जैसे वे एक साथ बैठे हों।

3. दौड़: 10 दिनों की निरंतर टिक-टिक

प्रयोग 10 दिनों तक चला।

सिंगापुर की घड़ी: यह लगभग पूरी तरह से काम करती रही, यानी 94.2% समय सक्रिय रही। जब यह रुकी (रखरखाव या समायोजन के लिए), तो वैज्ञानिकों को यह अनुमान लगाना पड़ा कि ब्रेक के दौरान घड़ी को क्या करना चाहिए था। क्योंकि घड़ी बहुत स्थिर थी और ब्रेक बहुत कम समय के थे, इसलिए यह "अनुमान लगाने का खेल" (एक्सट्रपलेशन) बहुत कम त्रुटि लेकर आया।
कनाडा की घड़ी: यह रेफरी थी। यह भी लगभग 100% समय काम करती रही। हालाँकि, बेहतरीन रेफरी में भी अपनी टाइमिंग में थोड़ी बहुत "जिटर" या अनिश्चितता होती है। इस दौड़ में, कनाडाई रेफरी की अनिश्चितता ही अंतिम परिणाम में त्रुटि का सबसे बड़ा स्रोत थी।

4. परिणाम: एक नया रिकॉर्ड

दोनों महाद्वीपों के आंकड़ों का विश्लेषण करने के बाद, वैज्ञानिकों ने लुटेटियम घड़ी की सटीक आवृत्ति निर्धारित की:
353,638,794,073,800.33 Hz

सटीकता: इस संख्या में अनिश्चितता अविश्वसनीय रूप से कम है—100 क्वाड्रिलियन में से 2.6 भाग।
सुधार: यह उनके पिछले प्रयास की तुलना में 3.6 गुना अधिक सटीक है।
मील का पत्थर: यह पहली बार है जब एक लुटेटियम घड़ी को इतनी कम अनिश्चितता के साथ मापा गया है जो भविष्य में सेकंड को पुनर्व्याख्यायित करने के लिए निर्धारित अंतरराष्ट्रीय समयकीपर्स (CIPM) की सख्त आवश्यकताओं को पूरा करती है।

5. यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

यह शोध पत्र आपकी कलाई घड़ी या GPS फोन में तत्काल बदलाव का वादा नहीं करता है। इसके बजाय, यह दावा करता है कि यह परिणाम एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है।

यह सिद्ध करता है कि लुटेटियम घड़ी एक विश्वसनीय "सेकंड का माध्यमिक प्रतिनिधित्व" है।
यह दर्शाता है कि हम उस बिंदु के करीब पहुँच रहे हैं जहाँ हम दुनिया की समय की परिभाषा को धीमी सीज़ियम लय से सुपर-फास्ट ऑप्टिकल (लुटेटियम) लय में बदलने की ओर बढ़ सकते हैं।
शोध पत्र सुझाव देता है कि यदि वे प्रयोग को लंबे समय तक (30 दिन) चलाते हैं और और भी बेहतर उपकरणों (ऑप्टिकल माइक्रोवेव) का उपयोग करते हैं, तो वे माप को और भी सटीक बना सकते हैं, जो संभावित रूप से वर्तमान सीज़ियम मानकों की सटीकता को भी पीछे छोड़ सकता है।

सारांश:
वैज्ञानिकों ने एक उच्च-तकनीकी GPS ब्रिज का उपयोग करके सिंगापुर में एक सुपर-फास्ट परमाणु घड़ी को कनाडा की स्वर्ण-मानक घड़ी के विरुद्ध सफलतापूर्वक मापा। उन्होंने सिद्ध किया कि घड़ी अविश्वसनीय रूप से सटीक है, जिससे त्रुटि की गुंजाइश पहले की तुलना में लगभग चार गुना कम हो गई है। यह हमें समय को मापने के तरीके को पुनर्व्याख्यायित करने की दिशा में एक कदम और करीब लाता है।

तकनीकी सारांश: $^{176}\text{Lu}^+$ ( $^3\text{D}_1$ ) मानक का पूर्ण आवृत्ति मापन

समस्या और संदर्भ
अंतर्राष्ट्रीय इकाइयों की प्रणाली (SI) वर्तमान में 133Cs के ग्राउंड-स्टेट हाइपरफाइन ट्रांज़िशन के माध्यम से सेकंड को परिभाषित करती है, जिसे सीज़ियम फाउंटेन प्राइमरी फ्रीक्वेंसी स्टैंडर्ड्स (PFS) द्वारा साकार किया जाता है जिनकी अनिश्चितता $1 \times 10^{-16}$ के करीब है। जबकि ऑप्टिकल परमाणु घड़ियाँ माइक्रोवेव मानकों की तुलना में स्थिरता और सटीकता ( $10^{-18}$ के स्तर तक पहुँचकर) में आगे निकल गई हैं, SI सेकंड के पुनर्गठन के लिए एक अनिवार्य मील का पत्थर स्वतंत्र सीज़ियम फाउंटन्स के विरुद्ध कई, स्वतंत्र, उच्च-सटीक पूर्ण आवृत्ति मापन का कार्यान्वयन है। $^{176}\text{Lu}^+$ ( $^3\text{D}_1$ ) ट्रांज़िशन इस भूमिका के लिए एक प्रतिस्पर्धी उम्मीदवार है, जिसने पहले ही $1 \times 10^{-19}$ की रिकॉर्ड-लो सिस्टमैटिक अनिश्चितता प्रदर्शित की है। हालाँकि, इसका पहला पूर्ण आवृत्ति मापन सैटेलाइट-लिंक अस्थिरता और क्लॉक अपटाइम द्वारा सीमित था, जिससे $9.2 \times 10^{-16}$ की भिन्नात्मक अनिश्चितता प्राप्त हुई। यह शोध पत्र इस मापन को Cs-आधारित SI सेकंड के साथ निरंतरता के लिए रोडमैप मानदंड $3 \times 10^{-16}$ को पूरा करने हेतु सुधारने की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ सिंगापुर (NUS) में संचालित एकल-आयन $^{176}\text{Lu}^+$ ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी स्टैंडर्ड के एक बेहतर पूर्ण आवृत्ति मापन की रिपोर्ट करता है, जिसका मूल्यांकन नेशनल रिसर्च काउंसिल कनाडा (NRC) में NRC-FCs2 सीज़ियम फाउंटेन प्राइमरी फ्रीक्वेंसी स्टैंडर्ड के विरुद्ध किया गया है।

NUS $\text{Lu}^+$ सिस्टम: प्रयोग में एक लीनियर पॉल ट्रैप (Lu-1) में एक एकल $^{176}\text{Lu}^+$ आयन का उपयोग किया गया था, जिसमें एक अपग्रेड किया गया अल्ट्रा-लो-एक्सपेंशन (ULE) रेफरेंस कैविटीिटी और एक हाइब्रिड माइक्रोवेव-ऑप्टिकल इंटरोगेशन स्कीम का उपयोग किया गया। क्लॉक ने 10-दिवसीय अभियान के दौरान 94.2% अपटाइम के साथ कार्य किया। इंटरोगेशन सीक्वेंस में प्रोब-लेजर-प्रेरित ac Stark शिफ्ट को दबाने के लिए, लेजर कोहेरेंस द्वारा सीमित 50 ms के कुल रेम्से टाइम के साथ हाइपर-रेम्से स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया गया।
NRC-FCs2 सिस्टम: तुलनात्मक मानक, NRC-FCs2, कोल्ड कोलिजन, ब्लैकबॉडी रेडिएशन (BBR), और डिस्ट्रिब्यूटेड कैविटी फेज (DCP) शिफ्ट के अपडेटेड सिस्टमैटिक इवैल्यूएशन के साथ संचालित हुआ, जिससे $1.17 \times 10^{-16}$ की कुल सिस्टमैटिक अनिश्चितता प्राप्त हुई।
फ्रीक्वेंसी लिंक: दोनों प्रयोगशालाओं को ग्लोबल पोजिशनिंग सिस्टम (GPS) पर एम्बिग्युटी-रिजॉल्व्ड प्रिसाइज पॉइंट पोजिशनिंग (PPP-AR) लिंक के माध्यम से जोड़ा गया था। यह लिंक दोनों साइटों पर हाइड्रोजन मासरों (फ्लाईव्हील ऑसिलेटर्स) की तुलना करता था। मापन श्रृंखला में शामिल था:
1. $\text{Lu}^+$ क्लॉक की NUS हाइड्रोजन मासर (HM) के साथ तुलना।
2. GPS PPP-AR लिंक के माध्यम से NUS HM और NRC मासर (VM1) के बीच फ्रीक्वेंसी का स्थानांतरण।
3. NRC VM1 की NRC-FCs2 फाउंटेन के साथ तुलना।
अनिश्चितता विश्लेषण: लेखकों ने एक संशोधित पावर स्पेक्ट्रल डेंसिटी (PSD) मॉडल का उपयोग करते हुए, जो NUS मासर के एलन डेविएशन में एक विशिष्ट नॉइज़ बम्प को ध्यान में रखता है, $\text{Lu}^+$ क्लॉक के मापन डाउनटाइम से उत्पन्न एक्सट्रपलेशन अनिश्चितता ( $u_{ext}$ ) का अनुमान लगाने के लिए फूरियर ट्रांसफॉर्म पद्धति का उपयोग किया।

प्रमुख योगदान और परिणाम

बेहतर परिशुद्धता: लेखकों ने $^{176}\text{Lu}^+$ ( $^3\text{D}_1$ ) ट्रांज़िशन के लिए 353 638 794 073 800.33(9) Hz की एक पूर्ण आवृत्ति निर्धारित की।
अनिश्चितता में कमी: मापन ने $2.6 \times 10^{-16}$ की भिन्नात्मक कुल अनिश्चितता प्राप्त की, जो पिछले मापन ( $9.2 \times 10^{-16}$ ) की तुलना में 3.6-गुणा कमी को दर्शाता है।
सहमति: परिणाम पिछले मापन और CIPM 2025 अनुशंसित फ्रीक्वेंसी वैल्यू के साथ उत्कृष्ट सहमति में है।
सिस्टमैटिक सुधार: $\text{Lu}^+$ क्लॉक के उच्च अपटाइम (94.2%) ने डेड-टाइम एक्सट्रपलेशन अनिश्चितता को महत्वपूर्ण रूप से कम कर दिया। अनिश्चितता बजट मुख्य रूप से NRC-FCs2 फाउंटेन की अस्थिरता ( $1.8 \times 10^{-16}$ ) द्वारा नियंत्रित था, न कि ऑप्टिकल क्लॉक या लिंक द्वारा।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि यह मापन $^{176}\text{Lu}^+$ के लिए पहला है जो Cs-आधारित SI सेकंड के साथ निरंतरता के लिए आवश्यक $3 \times 10^{-16}$ के रोडमैप मानदंड से नीचे आया है। अनिश्चितता को 3.6 के कारक से कम करके, यह कार्य $^{176}\text{Lu}^+$ को एक विश्वसनीय फ्रीक्वेंसी संदर्भ और भविष्य में SI सेकंड के पुनर्गठन के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार के रूप में स्थापित करता है। लेखक नोट करते हैं कि वर्तमान अनिश्चितता मुख्य रूप से NRC-FCs2 फाउंटेन द्वारा सीमित है; वे सुझाव देते हैं कि ऑप्टिकली सिंथेसाइज्ड माइक्रोवेव्स का उपयोग करने और मापन की अवधि को 30 दिनों तक बढ़ाने जैसे भविष्य के सुधारों से संभावित रूप से कुल अनिश्चितता को $1.7 \times 10^{-16}$ तक कम किया जा सकता है।

1. लक्ष्य: "हमिंगबर्ड" को मापना

2. सेतु: एक डिजिटल "रस्सी"

3. दौड़: 10 दिनों की निरंतर टिक-टिक

4. परिणाम: एक नया रिकॉर्ड

5. यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

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