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.
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.
(pal/pal)