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

समय, सबसे मौलिक अर्थ में, एक परमाणु की स्थिर, लयबद्ध धड़कनों को गिनकर मापा जाता है। दशकों से, दुनिया के आधिकारिक सेकंड्स को सीज़ियम परमाणुओं के कंपन द्वारा परिभाषित किया गया है, एक ऐसा मानक जिसने मानवता की अच्छी सेवा की है। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से समय रखने का एक अधिक सटीक तरीका खोजा है, जो माइक्रोवेव के बजाय प्रकाश का उपयोग करके बहुत उच्च गति पर कंपन करने वाले परमाणुओं पर निर्भर करता है। ये ऑप्टिकल परमाणु घड़ियाँ इतनी संवेदनशील हैं कि वे गुरुत्वाकर्षण के सूक्ष्म परिवर्तनों या स्वयं समय के बीतने का पता लगा सकती हैं। उपयोगी होने के लिए, इन घड़ियों की तुलना राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं द्वारा रखे जाने वाले आधिकारिक समय से की जानी चाहिए, लेकिन ऐसा करने के लिए एक ऐसे सेतु की आवश्यकता होती है जो सिग्नल को उसकी सटीकता खोए बिना सैकड़ों किलोमीटर तक ले जा सके।

एक हालिया अध्ययन में, इनसब्रुक, ऑस्ट्रिया के शोधकर्ताओं ने एक एकल कैल्शियम आयन पर आधारित एक विशिष्ट घड़ी की सटीक आवृत्ति को मापने के लिए ऐसा ही एक सेतु बनाया। उन्होंने अपने प्रयोगशाला को नेविगेशन उपग्रहों के एक नेटवर्क का उपयोग करके ब्राउनशवेग, जर्मनी में स्थित प्राथमिक समयकीपिंग केंद्र से जोड़ा। ऐसा करके, उन्होंने कैल्शियम क्लॉक ट्रांज़िशन की पूर्ण आवृत्ति को उस स्तर की सटीकता के साथ निर्धारित किया जो इस विशिष्ट सेटअप के लिए पहले कभी प्राप्त नहीं की गई थी। उनके कार्य ने न केवल इस बात का एक नया, अत्यधिक सटीक अंक प्रदान किया कि यह घड़ी कितनी तेज़ चलती है, बल्कि वैज्ञानिक रिकॉर्ड में एक लंबे समय से चले आ रहे विसंगति को भी सुधारा और यह भी स्पष्ट किया कि चुंबकीय क्षेत्र परमाणुओं के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।

प्रयोग एक एकल कैल्शियम आयन पर केंद्रित था, जो एक परमाणु है जिसने एक इलेक्ट्रॉन खो दिया है, जिसे अदृश्य विद्युत और चुंबकीय बलों द्वारा एक वैक्यूम चैंबर में फँसाया गया है। यह आयन घड़ी के पेंडुलम के रूप में कार्य करता है। इसे चलाने के लिए, शोधकर्ता एक बहुत ही विशिष्ट रंग की, गहरे लाल रंग की लेजर बीम को परमाणु पर चमकाते हैं। जब लेजर की आवृत्ति आयन के प्राकृतिक कंपन से मेल खाती है, तो परमाणु ऊर्जा को अवशोषित करता है और उच्च ऊर्जा अवस्था में चला जाता है। शोधकर्ता उस सटीक क्षण की तलाश कर रहे हैं जब यह होता है, जो 411,042,129,776,401.2 हर्ट्ज़ की आवृत्ति पर होता है। यह संख्या यह दर्शाती है कि परमाणु हर सेकंड कितनी बार कंपन करता है। इसे इतनी अत्यधिक सटीकता के साथ मापने के लिए, उन्हें यह सुनिश्चित करना था कि कोई भी बाहरी कारक, जैसे कि बिखरे हुए चुंबकीय क्षेत्र या आसपास के वातावरण की गर्मी, इस संख्या को थोड़ा सा भी विचलित न करे।

अपने स्थानीय क्लॉक को अंतर्राष्ट्रीय मानक से जोड़ने के लिए, टीम ने फिज़िकालिश-टेक्निश ब्रुन्डेस एनालस्टैट (PTB) के साथ एक लिंक स्थापित किया, जो ब्राउनशवेग, जर्मनी में स्थित राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी संस्थान है जो समन्वित सार्वभौमिक समय (UTC) को परिभाषित करने में मदद करता है। उन्होंने एक स्थानीय संदर्भ के रूप में एक पैसिव हाइड्रोजन मेसर का उपयोग किया, जो एक बहुत ही स्थिर सिग्नल उत्पन्न करता है। इस सिग्नल की तुलना ग्लोबल नेविगेशन सैटेलाइट सिस्टम के माध्यम से उपग्रहों द्वारा रखे जाने वाले समय से की गई थी। अपने लैब, उपग्रहों और जर्मन प्रयोगशाला के बीच सिग्नल यात्रा करने में लगने वाले समय का विश्लेषण करके, वे अपने स्थानीय क्लॉक और आधिकारिक अंतर्राष्ट्रीय समय के बीच सटीक अंतर की गणना कर सके। यह विधि, जिसे प्रिसिज़ पॉइंट पोजिशनिंग (Precise Point Positioning) के रूप में जाना जाता है, ने न्यूनतम त्रुटि के साथ कई सौ किलोमीटर की दूरी पर समय मानक को स्थानांतरित करने की अनुमति दी।

यह माप अभियान जून 2021 में दस दिनों तक चला। इस दौरान, शोधकर्ताओं ने छह अलग-अलग बार आयन की जांच की, प्रत्येक जांच के लिए थोड़े अलग चुंबकीय सेटिंग्स का उपयोग किया। इस चतुर रणनीति ने कई त्रुटियों के स्रोतों को समाप्त करने में मदद की जो आमतौर पर ऐसे मापों में बाधा डालते हैं, जिसमें पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र और ट्रैप के भीतर के विद्युत क्षेत्र के कारण होने वाले बदलाव शामिल हैं। हालाँकि, उन्होंने पाया कि रेडियो-फ्रीक्वेंसी करंट, जिनका उपयोग आयन को थामे रखने के लिए किया जाता है, द्वारा उत्पन्न एक सूक्ष्म प्रभाव अभी भी परिणामों को प्रभावित कर रहा था। ये करंट एक छोटा, दोलनशील चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं जो परमाणु की ऊर्जा स्तरों को इस तरह से बदल देता है जिसे पिछले मापों में पूरी तरह से ध्यान में नहीं रखा गया था। इस प्रभाव को सावधानीपूर्वक मापकर, टीम अपने डेटा को सुधारने में सक्षम हुई और कैल्शियम परमाणु के एक मौलिक गुण, जिसे लैंडे जी-फैक्टर (Landé g-factor) कहा जाता है, का एक नया, अधिक सटीक मान भी निकाला, जो यह बताता है कि परमाणु चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है।

उनके कार्य का अंतिम परिणाम 1.5 x 10^-15 की भिन्नात्मक अनिश्चितता के साथ कैल्शियम क्लॉक ट्रांज़िशन फ्रीक्वेंसी का माप है। इस सटीकता के स्तर को समझने के लिए, यदि इस घड़ी ने ब्रह्मांड की शुरुआत में टिक-टिक करना शुरू किया होता, तो आज यह एक सेकंड से भी कम के अंतर पर होती। यह परिणाम उनके माप को चीन और इज़राइल की अन्य प्रयोगशालाओं के हालिया अध्ययनों के अनुरूप रखता है, लेकिन यह 2009 से 2012 के पिछले मापों का खंडन करता है। शोधकर्ताओं का मानना है कि पिछले परिणाम कम सटीक थे क्योंकि उनमें ट्रैप द्वारा उत्पन्न दोलनशील चुंबकीय क्षेत्रों को पूरी तरह से शामिल नहीं किया गया था। इस कारक को शामिल करके, नया माप इस असहमति को सुलझाता है और भविष्य के समयकीपिंग के लिए एक अधिक विश्वसनीय मानक प्रदान करता है।

विशिष्ट संख्या के अलावा, यह अध्ययन दुनिया की सबसे उन्नत घड़ियों की तुलना करने के लिए सैटेलाइट लिंक का उपयोग करने की शक्ति को प्रदर्शित करता है। जबकि फाइबर-ऑप्टिक केबल और भी बेहतर स्थिरता प्रदान कर सकते हैं, उन्हें दूर के शहरों के बीच बिछाना हमेशा व्यावहारिक नहीं होता है। यहाँ उपयोग किए गए सैटेलाइट लिंक का उपयोग यह सत्यापित करने के लिए एक सरल, अधिक सुलभ तरीका प्रदान करता है कि दुनिया भर की ऑप्टिकल घड़ियाँ एक-दूसरे के साथ सुसंगत हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी पुष्टि की कि उनके अपने माप मुख्य रूप से उनके स्थानीय हाइड्रोजन मेसर की स्थिरता द्वारा सीमित थे, जिससे पता चलता है कि भविष्य में और भी अधिक स्थिर संदर्भ स्रोत का उपयोग करके सुधार किया जा सकता है। यह कार्य सेकंड को फिर से परिभाषित करने और भौतिकी के मूलभूत नियमों का परीक्षण करने के लिए इन अविश्वसनीय रूप से सटीक घड़ियों का उपयोग करने के वैश्विक प्रयास में एक महत्वपूर्ण कदम है।