Revolusi Jam Nuklir Thorium

Oleh: Rindiani Aprillia Cauntesa, S.Si. Alumnus FMIPA, Universitas Lampung

Proyek Jam Thorium-229 (Thorium-229 clock) bukan hanya sekadar peningkatan dari teknologi penunjuk waktu yang ada, melainkan sebuah perubahan paradigma dalam teknologi nuklir. Berbeda dengan jam atom konvensional yang mengandalkan transisi elektron di kulit luar atom, proyek ini memanfaatkan transisi isomer nuklir. Ini merupakan inovasi luar biasa karena sejarahnya. Transisi nuklir yang biasanya berada di kisaran energi keV hingga MeV, tidak dapat diakses oleh manipulasi optik. Dengan kata lain, apa yang selama ini dianggap mustahil dalam fisika eksperimental kini mulai memasuki wilayah yang dapat dikendalikan secara presisi oleh teknologi laser modern.

Keunikan Thorium-229 terletak pada keadaan isomeriknya yang memiliki energi eksitasi rendah, sekitar 7.8–8.4 eV, setara dengan panjang gelombang ultraviolet sekitar 148 nm. Energi serendah ini untuk suatu transisi nuklir adalah anomali dalam fisika inti, sehingga menjadikan Thorium-229 satu-satunya kandidat yang memungkinkan realisasi jam nuklir berbasis laser. Di sinilah letak daya tarik sainsnya yaitu inti atom yang biasanya berada di dunia energi tinggi, kini dapat disentuh oleh optik kuantum presisi.

Presisi Tanpa Tanding dan Stabilitas Frekuensi Ultra-Halus

Daya tarik utama dari jam nuklir adalah stabilitasnya. Jam atom konvensional beroperasi menggunakan transisi elektron yang sangat sensitif terhadap gangguan lingkungan, seperti fluktuasi temperatur, medan listrik, dan medan magnet. Karena elektron berada di kulit atom yang relatif “terbuka” terhadap interaksi eksternal, frekuensi jam atom dapat tergeser atau terganggu dalam kondisi tertentu. Sebaliknya, inti atom terletak jauh di dalam atom, terlindung oleh awan elektron, dan jauh lebih kebal terhadap gangguan eksternal. Inilah alasan mengapa transisi nuklir dapat menawarkan stabilitas fisik yang hampir sempurna.

Stabilitas ini menghasilkan apa yang disebut faktor kualitas atau Q-factor. Semakin sempit lebar garis transisi dan semakin lama waktu hidup keadaan isomerik, semakin tinggi Q-factor yang dapat dicapai. Dalam jam atom paling maju saat ini, seperti jam optik berbasis ytterbium atau strontium, nilai Q-factor sudah sangat besar dan berada di puncak teknologi manusia. Namun jam nuklir Thorium-229 berpotensi mencapai Q-factor yang lebih tinggi beberapa kali lipat, menjadikannya jam paling stabil yang pernah dirancang.

Perkiraan konservatif menunjukkan bahwa jam nuklir ini dapat memiliki ketidakpastian frekuensi relatif pada tingkat 10⁻¹⁹ atau bahkan lebih baik. Untuk memberikan gambaran, jika jam seperti ini bekerja sejak awal pembentukan alam semesta atau sekitar 13,8 miliar tahun lalu, penyimpangannya tidak akan mencapai satu detik pun. Tingkat presisi ini bukan hanya rekor baru, tetapi membuka pintu bagi eksperimen fisika fundamental yang selama ini tidak mungkin dilakukan.

Tantangan yang Mengubah Paradigma

Mengembangkan jam nuklir bukan hanya tentang memahami inti Thorium-229. Tantangan berikutnya adalah bagaimana menempatkan ion thorium tersebut dalam lingkungan yang stabil dan dapat diukur. Salah satu metode yang kini banyak diteliti adalah menanamkan ion thorium ke dalam kristal kalsium fluorida (CaF₂). Kristal ini dipilih karena stabil dalam kondisi kriogenik dan cukup transparan terhadap ultraviolet ekstrem yang dibutuhkan untuk membangkitkan transisi nuklir. Namun upaya ini tidak sederhana. Kristal harus memiliki kemurnian optik sangat tinggi agar tidak menyerap cahaya pada 148 nm, dan struktur kisi kristalnya harus cukup stabil untuk menjaga ion pada konfigurasi elektron yang tepat.

Di bidang laser, para peneliti juga menghadapi tantangan yang sama besarnya. Transisi nuklir membutuhkan laser dengan panjang gelombang yang sangat spesifik, linewidth yang sangat sempit, dan stabilitas yang ekstrem. Teknologi seperti frequency combs, laser narrow-linewidth, dan sistem penstabil resonator optik kini mulai memungkinkan manipulasi keadaan nuklir secara langsung. Pengembangan ini menandai lahirnya cabang ilmu baru, Optika Kuantum Nuklir, bidang yang menjembatani optik presisi dengan fisika inti dan membuka peluang eksperimen yang sebelumnya hanya menjadi teori.

Salah satu fenomena menarik yang sedang dieksplorasi adalah electron bridge, yaitu mekanisme di mana elektron membantu mempercepat atau memungkinkan transisi nuklir yang sulit terjadi secara alami. Efek-efek semacam ini belum sepenuhnya dipahami, sehingga eksperimen jam nuklir berpotensi menemukan dinamika inti-elektron baru yang belum tercatat dalam model fisika saat ini.

Dari Qubit Nuklir hingga Pencarian Materi Gelap

Jam nuklir Thorium-229 bukan hanya alat ukur waktu, tetapi instrumen ilmiah yang dapat memengaruhi banyak bidang. Salah satu aplikasi paling menjanjikan adalah pada ilmu informasi kuantum. Karena keadaan nuklir jauh lebih tahan terhadap gangguan eksternal, transisi ini dapat menjadi basis qubit yang sangat stabil. Qubit nuklir memiliki keunggulan waktu koherensi yang sangat panjang, memungkinkan komputasi kuantum presisi tinggi dan sistem memori kuantum jangka panjang.

Kemampuan presisi ekstrem juga menjadikan jam ini alat untuk menguji stabilitas konstanta fundamental alam semesta. Konstanta struktur halus (α), rasio massa proton ke elektron, atau parameter fisika lainnya dapat berubah sangat kecil dari waktu ke waktu, tetapi perubahan tersebut tidak akan terdeteksi oleh jam atom biasa. Jam nuklir, dengan sensitivitas hingga 10⁻¹⁹, dapat mengamati variasi sekecil apa pun dan membantu menjawab pertanyaan apakah hukum fisika benar-benar konstan atau berubah seiring waktu kosmologis.

Kemungkinan lain yang lebih futuristik adalah deteksi materi gelap. Banyak kandidat materi gelap diprediksi dapat mengubah energi transisi nuklir dengan sangat halus. Jika jam Thorium-229 menunjukkan variasi misterius yang tidak dapat dijelaskan oleh faktor lingkungan, itu dapat menjadi petunjuk pertama keberadaan partikel materi gelap seperti axion atau dark photon.

Navigasi, Geodesi, dan Jam Portabel Masa Depan

Dalam ranah teknologi, dampak jam nuklir dapat dirasakan di berbagai bidang. Sistem navigasi global modern seperti GPS bergantung pada jam atom, tetapi presisi jam nuklir dapat meningkatkan akurasi pengukuran posisi hingga tingkat sentimeter. Dalam geodesi relativistik, perbedaan kecil gravitasi bumi dapat dideteksi melalui perbedaan laju waktu; jam Thorium-229 dapat mencatat perubahan ketinggian hanya beberapa milimeter.

Di masa depan, jika teknologi ini berhasil diperkecil menjadi perangkat portabel, dunia dapat melihat era baru sinkronisasi global. Pesawat luar angkasa, satelit kecil, kendaraan otonom, dan perangkat ilmiah di lapangan dapat beroperasi tanpa ketergantungan pada jaringan navigasi eksternal.

Era Baru dalam Metrologi dan Fisika Fundamental

Proyek jam nuklir Thorium-229 merupakan pencapaian yang menyatukan rekayasa laser presisi, fisika inti, dan teknologi material tingkat tinggi. Dengan memanfaatkan transisi nuklir yang sebelumnya dianggap mustahil untuk dikendalikan, proyek ini bukan hanya menciptakan jam dengan presisi tertinggi yang pernah ada, tetapi juga membuka jendela baru bagi fisika fundamental, deteksi materi gelap, sistem navigasi masa depan, dan komputasi kuantum.

Jam nuklir bukan hanya alat ukur waktu, tetapi kunci untuk memahami struktur terdalam alam semesta.

Referensi

Hiraki, T., Masuda, T., Takatori, S., Schaden, F., Bartokos, M., Beeks, K., Fukunaga, Y., Grüneis, A., Guan, M., Kazakov, G., LaGrange, T., Leitner, A., Morawetz, I., Ogake, R., Okai, K., Pimon, M., Pressler, M., Riebner, T., Sasao, N., Schneider, F., Schumm, T., Shimizu, K., Toscani de Col, L., Sikorsky, T., Yoshimi, A., Yoshimura, K. (2025). Laser Mössbauer spectroscopy of 229Th. arXiv Materials Science, Article 2509.00041. https://arxiv.org/abs/2509.00041v1

Kraemer, S., Moens, J., Athanasakis-Kaklamanakis, M., Bara, S., Beeks, K., Chhetri, P., Chrysalidis, K., Claessens, A., Correia, J. M., De Witte, H., Ferrer, R., Geldhof, S., Heinke, R., Hosseini, N., Huyse, M., Köster, U., Kudryavtsev, Y., Laatiaoui, M., Lica, R., Magchiels, G., Manea, V., Merckling, C., Pereira, L. M. C., Raeder, S., Schumm, T., Sels, S., Thirolf, P. G., Tunhuma, S. M., Van Den Bergh, P., Van Duppen, P., Vantomme, A., Verlinde, M., Villarreal, R., Wahl, U. (2022). Observation of the radiative decay of the 229Th nuclear clock isomer. arXiv Nuclear Experiment, Article 2209.10276. https://arxiv.org/abs/2209.10276

Seiferle, B., von der Wense, L., Bilous, P. V., Amersdorffer, I., Lemell, C., Libisch, F., Stellmer, S., Schumm, T., Düllmann, C. E., Pálffy, A., & Thirolf, P. G. (2019). Energy of the Th229 nuclear clock transition. arXiv Nuclear Experiment, Article 1905.06308. https://arxiv.org/abs/1905.06308

Thielking, J., Okhapkin, M. V., Głowacki, P., Meier, D. M., von der Wense, L., Seiferle, B., Düllmann, C. E., Thirolf, P. G., & Peik, E. (2018). Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer 229mTh. Nature, 556(1), 321–327. https://doi.org/10.1038/s41586-018–0011–8

Von der Wense, L. C., Seiferle, B., Schneider, C., Jeet, J., Amersdorffer, I., Arlt, N., Zacherl, F., Haas, R., Renisch, D., Mosel, P., Mosel, P., Kovacev, M., Morgner, U., Düllmann, C. E., Hudson, E. R., & Thirolf, P. G. (2019). The concept of laser-based conversion electron Mössbauer spectroscopy for a precise energy determination of 229mTh. arXiv Nuclear Experiment, Article 1904.01245. https://arxiv.org/abs/1904.01245

Wang, J., Miao, H., Ding, S., & Liu, E. D. (2025). Direct nuclear-level qubits using trapped Th229 ions: A platform for entanglement and universal quantum information processing. arXiv Quantum Physics, Article 2508.10626. https://arxiv.org/abs/2508.10626v1

Wang, Y., Xiao, Z. R., Zhang, H., Hua, L. Q., & Liu, X. J. (2025). Progresses on 148 nm light sources for precision measurement of nuclear transition of 229mTh. Chinese Physics B, 34(9), Article 0978. https://doi.org/10.1088/1674-1056/ae0d78

Zhang, C., Ooi, T., Higgins, J. S., Doyle, J. F., von der Wense, L., Beeks, K., Leitner, A., Kazakov, G. A., Li, P., Thirolf, P. G., Schumm, T., & Ye, J. (2024). Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. Quantum Physics. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6