.webp)
Jam atom mengukur waktu dengan mengacu pada transisi atom, yaitu ketika elektron berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Frekuensi transisi tersebut merupakan karakteristik tetap dari atom sehingga dapat menjadi patokan waktu dengan tingkat presisi sangat tinggi.
Untuk membaca frekuensi transisi atom, para ilmuwan menggunakan laser yang frekuensinya disesuaikan dengan transisi tersebut. Osilasi cahaya laser kemudian berfungsi seperti pendulum yang sangat presisi untuk menghitung waktu secara berulang dan konsisten.
Sejak 1960-an, atom sesium menjadi standar resmi dunia untuk mendefinisikan satuan detik. Teknologi jam atom berbasis sesium juga digunakan untuk mendukung GPS (Global Positioning System) serta menyinkronkan jaringan komunikasi dan transportasi.
SCROLL TO CONTINUE WITH CONTENT
Namun, para ilmuwan terus mengembangkan jam atom dengan menggunakan unsur lain. Unsur seperti iterbium, stronsium, dan aluminium memiliki frekuensi transisi yang jauh lebih tinggi daripada sesium sehingga memungkinkan pengukuran waktu dengan presisi lebih tinggi.
Jam yang semakin akurat tidak hanya berguna untuk mengetahui waktu. Teknologi ini juga membuka peluang untuk menyelidiki berbagai hal yang belum diketahui dalam fisika fundamental dan memantau perubahan gravitasi di berbagai wilayah Bumi.
Badan internasional yang bertanggung jawab terhadap standar waktu kini mempertimbangkan data dari jam atom optik tersebut untuk kemungkinan redefinisi satuan detik, yang diperkirakan dilakukan pada 2030 atau setelahnya.
Mengapa Unsur Lutetium?
Sebuah studi yang dilakukan para ilmuwan di Singapura menggunakan lutetium untuk membangun jam atom dengan tingkat presisi ekstrem. Penelitian tersebut dipublikasikan dalam jurnal Nature dengan judul Lu+ optical frequency references with accuracy verified at the 19th digit pada 23 September 2026.
Jam atom tersebut dikembangkan oleh para peneliti di Centre for Quantum Technologies (CQT), National University of Singapore (NUS).
Tim peneliti mengklaim jam berbasis lutetium tersebut sebagai jam paling akurat di dunia berdasarkan hasil pengukuran mereka. Rekor sebelumnya dicapai oleh jam atom yang menggunakan unsur berbeda.
"Saya yakin bahwa apa yang kita miliki sekarang adalah jam paling akurat di dunia," kata Murray Barrett, Principal Investigator di CQT sekaligus Associate Professor di Departemen Fisika NUS, dikutip dari laman resmi NUS, Kamis (24/9/2026).
Para peneliti mulai mengembangkan jam berbasis lutetium lebih dari satu dekade lalu. Saat itu, mereka menduga unsur tersebut memiliki karakteristik yang sesuai untuk digunakan sebagai bahan jam atom dengan performa tinggi.
Sejauh pengetahuan tim, mereka juga merupakan kelompok pertama dan satu-satunya yang menggunakan lutetium untuk pengukuran waktu.
Hasil penelitian menunjukkan frekuensi jam lutetium dapat diukur hingga 19 angka desimal, dengan tingkat ketidakpastian sebesar 1 × 10⁻¹⁹. Angka tersebut merupakan tingkat ketidakpastian terendah yang dilaporkan untuk jam atom optik hingga saat ini.
Masing-masing jam menggunakan satu ion lutetium bermuatan, ¹⁷⁶Lu⁺. Transisi atom yang digunakan sebagai acuan jam disesuaikan dengan laser berpanjang gelombang 848 nanometer.
Untuk menguji konsistensi pengukurannya, peneliti tidak hanya membuat satu jam, tetapi membangun dua jam lutetium. Keduanya kemudian dibandingkan menggunakan teknik correlation spectroscopy selama sekitar 200 jam pengukuran.
Hasil perbandingan menunjukkan kedua jam memiliki ketidakpastian sebesar 5,7 × 10⁻¹⁹. Angka tersebut menjadi tingkat presisi tertinggi yang pernah dicapai dalam perbandingan dua jam atom.
Mengapa Lutetium Sangat Presisi?
Performa lutetium berkaitan dengan sifat atomnya. Transisi yang digunakan sebagai acuan jam relatif tidak terpengaruh oleh perubahan suhu maupun medan magnet.
Pada unsur lain, perubahan kondisi lingkungan tersebut dapat sedikit mengubah frekuensi transisi atom. Perubahan kecil semacam itu dapat memengaruhi akurasi pengukuran waktu.
Tim CQT telah menghabiskan lebih dari satu dekade melakukan rekayasa presisi pada sistem jam tersebut. Mereka juga mengembangkan metode yang disebut hyperfine averaging untuk menentukan transisi yang digunakan sebagai acuan waktu.
"Di masa depan, saya rasa jam ini tidak akan bisa dikalahkan. Jam lutetium akan stabil bahkan jika Anda berpindah dari tempat terpanas yang tercatat di Bumi di Death Valley ke tempat terdingin di dataran tinggi Antartika," kata Barrett.
Karakteristik tersebut membuat jam lutetium berpotensi mempertahankan akurasinya dalam kondisi lingkungan yang lebih beragam.
Mengapa Peneliti Membuat Dua Jam?
Membangun dua jam bukan sekadar untuk menggandakan perangkat eksperimen. Perbandingan antara keduanya diperlukan untuk menguji apakah hasil pengukuran dapat direproduksi secara konsisten.
Kyle Arnold, Senior Research Scientist di CQT, menjelaskan bahwa salah satu cara untuk menguji akurasi suatu standar adalah membandingkannya dengan standar lain.
Dengan membandingkan dua jam yang dibuat menggunakan teknologi sama, peneliti dapat mengetahui seberapa konsisten keduanya menghasilkan frekuensi yang sama.
Dalam penelitian ini, perbandingan dilakukan menggunakan correlation spectroscopy selama sekitar 200 jam. Hasilnya menunjukkan tingkat ketidakpastian 5,7 × 10⁻¹⁹.
Angka tersebut berbeda dari ketidakpastian 1 × 10⁻¹⁹ yang diperoleh ketika frekuensi jam lutetium diukur. Keduanya merupakan hasil pengukuran yang berbeda: angka pertama menunjukkan ketidakpastian pengukuran frekuensi jam, sedangkan angka kedua berkaitan dengan perbandingan dua jam.
Jam Ini Bisa Mendeteksi Pengaruh Gravitasi
Tingkat presisi yang sangat tinggi justru menghadirkan tantangan tersendiri ketika jam tersebut dibandingkan dengan jam atom terbaik lainnya.
Pada tingkat ketidakpastian sekitar 10⁻¹⁹, jam atom optik sudah cukup sensitif untuk mendeteksi perubahan laju waktu akibat gravitasi yang ditimbulkan oleh perbedaan ketinggian yang sangat kecil.
Dalam eksperimen tim Singapura, sistem perbandingan mereka bahkan dapat mendeteksi perbedaan ketinggian sekitar 5 milimeter antara dua jam yang ditempatkan di meja yang sama.
Karena itu, posisi kedua ion harus diketahui dengan sangat presisi. Para peneliti secara independen mengukur perbedaan ketinggian kedua ion hingga berada di bawah satu milimeter untuk memastikan faktor tersebut tidak membatasi akurasi pengukuran.
Ada kendala lain. Perbedaan gravitasi antara berbagai lokasi di Bumi belum diketahui dengan tingkat ketelitian yang cukup untuk memungkinkan perbandingan jam atom pada tingkat presisi tersebut.
Kondisi ini membuat tim Singapura belum dapat dengan mudah membandingkan jam lutetium mereka dengan jam atom optik terbaik lainnya yang berada di lokasi berbeda.
Langkah Berikutnya: Membuat Jam yang Bisa Dibawa
Para peneliti kini ingin membawa teknologi tersebut keluar dari laboratorium. Michael Lee, salah satu penulis pertama penelitian sekaligus mahasiswa PhD di tim NUS, mengatakan langkah berikutnya adalah mengubah jam yang saat ini masih berada dalam skala laboratorium menjadi sistem yang dapat dipindahkan.
"Langkah selanjutnya adalah mengambil jam skala laboratorium dan memperkecilnya menjadi sistem yang dapat dipindahkan," kata Lee.
Tim peneliti memperkirakan ukuran jam masih dapat diperkecil tanpa mengorbankan tingkat akurasinya.
Jika berhasil, jam lutetium tersebut tidak hanya dapat digunakan untuk pengukuran waktu dengan presisi ekstrem di laboratorium. Sistem yang dapat dipindahkan juga akan memungkinkan para ilmuwan melakukan perbandingan jam di lokasi berbeda dan membuka peluang pemanfaatan teknologi tersebut untuk penelitian fisika fundamental serta pengukuran gravitasi Bumi.
