Orologi atomici: la superradianza li rende 10 volte più precisi

Gli orologi atomici sono gli strumenti più precisi per misurare il tempo sulla Terra. Sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui il GPS, le telecomunicazioni e la navigazione spaziale. Tuttavia, anche questi orologi hanno dei limiti di precisione.

Orologio

Cosa sono gli orologi atomici?

Un orologio atomico è un tipo di orologio che utilizza la frequenza di risonanza di un atomo per determinare il tempo. Gli atomi hanno delle frequenze di risonanza estremamente precise e stabili, che li rendono ideali per questo scopo.

La frequenza di questo ciclo di risonanza è estremamente precisa e stabile, e viene utilizzata per determinare il tempo. Gli orologi atomici sono così precisi che possono perdere solo un secondo in milioni di anni.

Esistono diversi tipi di orologi atomici, che utilizzano atomi diversi per determinare il tempo. I più comuni sono quelli al cesio, che utilizzano atomi di cesio-133.

Gli orologi atomici sono strumenti incredibilmente precisi e affidabili, che hanno rivoluzionato il modo in cui misuriamo e sincronizziamo il tempo.

Secondo il fisico Eliot Bohr dell’Università del Colorado, gli orologi atomici, considerati i più precisi al mondo, non sono perfetti. La loro precisione viene infatti messa a dura prova da un fenomeno curioso: gli atomi che li compongono invecchiano e devono essere sostituiti con nuovi. Questo processo di sostituzione, seppur necessario per il corretto funzionamento, introduce un leggero ritardo nel conteggio del tempo.

Bohr ha spiegato che gli atomi utilizzati negli orologi atomici, come quelli di cesio, sono in continua evoluzione. Nel tempo, i loro nuclei decadono emettendo radiazioni, perdendo massa e alterando leggermente le loro proprietà fisiche. Questo cambiamento influenza la frequenza della luce emessa dagli atomi, che è proprio la base del tempo atomico.

Sebbene questo ritardo sia estremamente piccolo, è comunque misurabile e rappresenta un limite alla precisione degli orologi atomici. Per compensare questo effetto, gli scienziati devono continuamente monitorare gli atomi negli orologi e sostituirli con nuovi una volta che invecchiano troppo. 

orologio atomico Andrew Ludlow

Orologi atomici: la superradianza apre nuove frontiere

I fisici hanno individuato un fenomeno quantistico chiamato superradianza come possibile soluzione. La superradianza permette agli atomi di emettere radiazioni in modo coordinato e amplificato, aumentando la sensibilità della misurazione e di conseguenza la precisione dell’orologio.

La superradianza è un fenomeno in cui un gruppo di atomi emette radiazioni in modo più efficiente di quanto farebbero individualmente. Essa è un fenomeno relativamente nuovo, e ci sono ancora molte ricerche da fare per comprenderla appieno. Tuttavia, questo studio ha dimostrato che ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia degli orologi atomici.

In parole semplici, la superradianza consentirebbe di ottenere misurazioni più precise con un minore disturbo sugli atomi, portando gli orologi atomici a livelli di precisione ancora più elevati.

I ricercatori hanno dimostrato che è possibile utilizzarla per creare un orologio atomico con una precisione 10 volte superiore a quella degli orologi attuali. Questo nuovo tipo di orologio potrebbe avere un impatto significativo su una serie di tecnologie, tra cui il GPS e le telecomunicazioni. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.

Un vantaggio cruciale risiede nel minimo riscaldamento degli atomi, che elimina la necessità di sostituirli. Di conseguenza, si ottiene un potenziale incremento nella precisione della misurazione del tempo.

Orologi atomici

Conclusioni

Un orologio atomico, come suggerisce il nome stesso, è un dispositivo di misurazione del tempo che sfrutta le proprietà quantistiche degli atomi per ottenere una precisione ineguagliabile. La sua realizzazione, tuttavia, richiede un’ingegneria meticolosa e un’attenta manipolazione della materia a livello atomico.

Al centro di questo processo troviamo gli atomi di stronzio, sebbene anche cesio e itterbio siano impiegati in alcuni modelli. Per iniziare, questi atomi vengono prodotti in un forno ad alta temperatura, che trasforma lo stronzio solido in vapore. Successivamente, questo vapore viene espulso dal forno e rapidamente raffreddato fino a raggiungere la temperatura estremamente bassa di -273 gradi Celsius, solo una frazione sopra lo zero assoluto.

Questa operazione avviene all’interno di una camera a vuoto, dove sono stati installati due specchi che creano una cavità ottica. La funzione di questi specchi è quella di riflettere avanti e indietro solo determinate lunghezze d’onda della luce, creando un ambiente controllato per gli atomi intrappolati.

All’interno di questa cavità ottica, gli atomi di stronzio vengono intrappolati utilizzando campi magnetici e ottici. Una volta intrappolati, le loro oscillazioni quantistiche, estremamente precise e stabili, vengono misurate con estrema accuratezza. Queste oscillazioni fungono da base per la misurazione del tempo, fornendo all’orologio atomico la sua eccezionale precisione.

Mentre gli orologi atomici odierni vantano già una precisione sbalorditiva, con il modello allo stronzio che promette di funzionare per 40 miliardi di anni senza alcuna deviazione, la ricerca per un’ulteriore raffinatezza non si ferma.

Per quanto possa sembrare superfluo, un cronometraggio ancora più accurato apre nuove frontiere in svariati campi, dalla misurazione del mondo fisico alla navigazione, fino ai test della relatività.

L’annuncio di questo nuovo metodo, avvenuto solo un mese fa in un preprint, ha già destato grande interesse nella comunità scientifica. L’orologio atomico basato sulla superradianza rappresenta un passo avanti significativo nel campo della misurazione del tempo e ha il potenziale per rivoluzionare diverse applicazioni scientifiche e tecnologiche.

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