Setelah hampir 80 tahun atom menjadi tulang punggung pengukuran waktu paling presisi, para ilmuwan kini mulai melangkah ke level berikutnya. Dua studi independen yang diunggah sebagai preprint melaporkan perangkat penentu waktu yang andal berdasarkan osilasi inti thorium-229, dan hasil ini menandai munculnya era jam nuklir.
Jam atom pertama kali dibangun oleh U.S. National Bureau of Standards, yang kini dikenal sebagai National Institute of Standards and Technology atau NIST. Sejak itu, para peneliti terus meningkatkan presisi jam atom dengan memanfaatkan frekuensi resonansi atom, hingga ada kelompok riset yang membuat jam ion aluminium yang mampu mengukur waktu sampai titik desimal ke-19.
Dari atom ke inti
Perbedaan utama jam nuklir ada pada sumber osilasinya. Jika jam atom bergantung pada elektron, jam nuklir memakai inti atom, yang jauh lebih kecil dan lebih tidak mudah terganggu oleh gaya luar seperti medan elektromagnetik.
Gagasan ini sudah diajukan pada 2003 oleh fisikawan Ekkehard Peik dan Christian Tamm di Physikalisch-Technische Bundesanstalt, lembaga yang setara dengan NIST di Jerman. Mereka menilai inti atom berpotensi menjadi platform pengukuran waktu yang bahkan lebih akurat daripada elektron.
Namun, ada kendala besar yang lama menghambat perkembangan teknologi ini. Perpindahan inti antara dua keadaan memerlukan energi yang terlalu besar untuk disediakan laser, kecuali pada thorium-229 yang memiliki dua keadaan dengan energi yang sangat berdekatan.
Thorium-229 membuka jalan
Setelah lebih dari 20 tahun upaya, tim dari TU Wien di Vienna bersama pakar dari NIST dan JILA di University of Colorado Boulder berhasil membuat prototipe thorium-229 pada 2024. Prototipe itu sudah bisa “berdetak”, tetapi belum mampu menjaga waktu secara andal.
Thorston Schumm, salah satu penulis studi 2024 dari TU Wien, saat itu mengatakan bahwa tujuan awal mereka adalah mengembangkan teknologi baru. Ia juga menyebut bahwa peningkatan kualitas akan mengikuti setelah konsep dasarnya berhasil dibuat, dan tim memperkirakan jam nuklir akan melampaui jam atom terbaik dalam 2-3 tahun.
Kemajuan yang kini mulai terwujud
Dua studi baru itu menunjukkan bahwa target tersebut mulai mendekat. Menurut Science News, tim Schumm bersama kelompok independen di China telah menyempurnakan metode untuk menyesuaikan kembali frekuensi laser melalui sistem umpan balik, mirip fungsi bandul pada jam ayun tradisional.
Dalam preprint yang diunggah ke arXiv, tim Schumm menjelaskan bahwa laser jam distabilkan pada frekuensi transisi nuklir yang diukur, dengan bantuan feedback loop yang mengoreksi instabilitas sisa atau drift pada rongga laser. Pendekatan ini menjadi kunci agar jam nuklir tidak hanya bisa berdetak, tetapi juga stabil.
Lebih dari sekadar presisi waktu
Daya tarik jam nuklir tidak berhenti pada ketepatan yang lebih tinggi. Karena inti terutama dipengaruhi oleh gaya nuklir kuat, jam ini dapat menjadi alat sensitif untuk mendeteksi variasi kecil pada konstanta fundamental yang mengatur kekuatan gaya tersebut.
Perubahan semacam itu bisa memberi petunjuk tentang keberadaan materi gelap, termasuk partikel materi gelap ultraringan. Dalam preprint mereka, tim Schumm menulis bahwa sensitivitas transisi thorium-229 membuat batas pengukuran mereka bersaing dengan jam atom terbaik dalam hal kopling materi gelap ke foton, serta melampaui pengukuran sebelumnya untuk kopling ke gaya kuat dan quark.
Dengan dua studi independen yang sama-sama menunjukkan kemajuan nyata, jam nuklir tidak lagi sekadar konsep teoretis. Teknologi ini kini mulai masuk ke tahap yang bisa mengubah cara manusia mengukur waktu, sekaligus membuka jalur baru untuk mencari jawaban atas salah satu misteri terbesar dalam fisika modern.
