Orologio atomico ultrapreciso pronto per nuove scoperte della fisica

Il team sarà ora in grado di tentare di rilevare la materia oscura, approfondire la fisica con gli orologi e cercare le onde gravitazionali

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I fisici dell’Università del Wisconsin-Madison hanno realizzato uno degli orologi atomici più performanti di sempre, hanno annunciato il 16 febbraio sulla rivista Nature.

Le potenziali applicazioni dell’orologio atomico sono illimitate

Il loro orologio atomico a reticolo ottico, il passo successivo oltre gli orologi atomici standard, può misurare differenze di tempo con una precisione equivalente a perdere solo un secondo ogni 300 miliardi di anni ed è il primo esempio di orologio ottico multiplex. Sei orologi separati possono esistere nello stesso ambiente all’interno di un orologio ottico multiplex.

Grazie all’orologio atomico il team sarà ora in grado di tentare di rilevare la materia oscura, approfondire la fisica con gli orologi e cercare le onde gravitazionali.

“Gli orologi a reticolo ottico sono già i migliori orologi al mondo e qui otteniamo questo livello di prestazioni che nessuno ha mai visto prima”, ha affermato Shimon Kolkowitz, professore di fisica della UW-Madison e autore senior dello studio. “Stiamo lavorando sia per migliorare le loro prestazioni che per sviluppare applicazioni emergenti che sono abilitate da queste prestazioni migliorate”.

Tenendo nota di frequenze coerenti

Un orologio atomico usa le frequenze di risonanza degli atomi come suo risonatore. Secondo l’Enciclopedia Britannica, il risonatore è “regolato dalla frequenza della radiazione elettromagnetica a microonde emessa o assorbita dalla transizione quantistica (cambiamento di energia), di un atomo o di una molecola”. Gli atomi risuonano a frequenze costanti, mentre la frequenza di oscillazione di un cristallo di quarzo in un orologio al quarzo può variare a causa delle tolleranze di fabbricazione. Le frequenze coerenti in un atomo di cesio sono ciò che rende gli orologi atomici così precisi.

La precisione ultra precisa degli orologi atomici per leggere l’ora è stata recentemente sfruttata dall’agenzia governativa statunitense DARPA. Avevano annunciato il programma Robust Optical Clock Network (ROCkN), che mira a costruire un orologio atomico ottico super preciso sufficientemente compatto da stare all’interno di un aereo militare o di un veicolo da campo. L’orologio atomico ottico, il tipo più accurato di orologio atomico, è così preciso che non avrebbe perso un secondo nell’intera esistenza dell’universo di oltre 13 miliardi di anni.

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Gli orologi atomici ottici tengono il tempo utilizzando un laser sintonizzato per corrispondere esattamente a questa frequenza. Per mantenere l’ora esatta, richiedono alcuni dei laser più sofisticati al mondo.

L’ambiente giusto

Kolkowitz ha affermato che il loro gruppo ha “un laser relativamente scadente” in confronto. Di conseguenza, erano consapevoli che qualsiasi orologio che avrebbero costruito non sarebbe stato il più accurato o preciso da solo. Sapevano anche che le conseguenti applicazioni degli orologi ottici richiedono laser portatili e disponibili in commercio come i loro.

Il loro nuovo studio ha visto un orologio multiplex in cui gli atomi di stronzio possono essere separati in più orologi disposti in linea nella stessa camera a vuoto. Usando un solo orologio atomico, il team ha scoperto che il loro laser era in grado di eccitare in modo affidabile elettroni nello stesso numero di atomi solo per un decimo di secondo.

Ma quando hanno puntato il laser su due orologi nella camera contemporaneamente e li hanno confrontati, il numero di atomi con elettroni eccitati è rimasto lo stesso tra i due orologi per un massimo di 26 secondi.

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Le loro scoperte erano la prova che potevano eseguire esperimenti essenziali molto più a lungo di quanto il loro laser consentisse in un normale orologio ottico.

“Normalmente, il nostro laser limiterebbe le prestazioni di questi orologi. Ma poiché gli orologi si trovano nello stesso ambiente e sperimentano la stessa identica luce laser, l’effetto del laser scompare completamente”, ha affermato Kolkowitz.

Successivamente, il gruppo voleva capire con quale precisione potevano misurare le differenze tra gli orologi. A seconda della gravità, dei campi magnetici e di altre condizioni, due gruppi di atomi in ambienti leggermente diversi ticchettano a velocità diverse.

L’esperimento è stato eseguito più di mille volte, misurando la differenza nella frequenza di ticchettio dei loro due orologi per circa tre ore. Come previsto, il ticchettio variava leggermente perché gli orologi erano in due posizioni leggermente diverse. Man mano che il team prendeva sempre più misurazioni, è stato in grado di misurare meglio quelle differenze.

Alla fine, i ricercatori sono stati in grado di rilevare una differenza nella frequenza del ticchettio tra i due orologi che coinciderebbe con le differenze tra loro di solo un secondo ogni 300 miliardi di anni, una misura di precisione nel cronometraggio che stabilisce un record mondiale per due orologi spazialmente separati .

Dispendioso in termini di tempo, ma necessario dell’ora

Il risultato avrebbe potuto facilmente diventare un record mondiale per la differenza di frequenza complessiva più precisa se non fosse stato per un altro articolo, pubblicato nello stesso numero di Nature. Un gruppo del JILA, un istituto di ricerca in Colorado , ha rilevato una differenza di frequenza tra la parte superiore e inferiore di una nuvola di atomi dispersa circa 10 volte migliore rispetto al gruppo UW-Madison.

Ottenuti a una distanza di un millimetro, i risultati indicano anche la distanza più breve fino ad oggi alla quale la teoria della relatività generale di Einstein è stata testata con gli orologi.

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Il gruppo di Kolkowitz prevede di eseguire presto un test simile.

“La cosa sorprendente è che abbiamo dimostrato prestazioni simili a quelle del gruppo JILA nonostante il fatto che stiamo utilizzando laser di ordini di grandezza peggiori”, ha affermato Kolkowitz. “Questo è davvero significativo per molte applicazioni del mondo reale, in cui il nostro laser assomiglia molto di più a quello che porteresti sul campo”.

Per illustrare le potenziali applicazioni dei loro orologi, il team di Kolkowitz ha confrontato le variazioni di frequenza tra ciascuna coppia di sei orologi multiplex in un ciclo. Hanno scoperto che le differenze si sommano a zero quando tornano al primo orologio nel ciclo. Ciò ha confermato la coerenza delle loro misurazioni e ha stabilito la possibilità che potessero rilevare minuscole variazioni di frequenza all’interno di quella rete.