Nuovo orologio atomico, cos'è e come funziona

I fisici dell'Università del Wisconsin-Madison hanno realizzato l'orologio atomico più preciso di sempre: perde un solo secondo ogni 300 miliardi di anni
Nuovo orologio atomico, cos'è e come funziona
SmartWorld team
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I fisici dell'Università del Wisconsin-Madison hanno realizzato uno degli orologi atomici più precisi e performanti di sempre: si chiama "orologio atomico a reticolo ottico", può misurare differenze di tempo con una precisione equivalente a perdere un solo secondo ogni 300 miliardi di anni, ed è il primo esempio di orologio ottico "multiplexed", in cui possono esistere sei diversi orologi nello stesso ambiente, nello specifico una camera sottovuoto.

L'annuncio della creazione del nuovo orologio atomico è stato dato dalla rivista Nature. Lo strumento contente al team di ricercatori di testare nuovi modo di ricerca sulle onde gravitazionali, di provare a rilevare la materia oscura e di scoprire nuovi aspetti della fisica con gli orologi.

Che cos’è l’orologio atomico

Gli orologi atomici sono così precisi perché sfruttano una proprietà fondamentale degli atomi: quando un elettrone cambia i livelli di energia, assorbe o emette luce con una frequenza identica per tutti gli atomi di un particolare elemento. Gli orologi atomici ottici tengono il tempo utilizzando un laser sintonizzato per corrispondere esattamente a questa frequenza, e richiedono alcuni tra i laser più sofisticati al mondo per mantenere l'ora precisa.

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

Lo studio della University of Winsconsin-Madison

L'accuratezza del nuovo orologio atomico ha molto poco a che fare con l'ora esatta, ma è una scoperta fondamentale nel campo della ricerca scientifica. Nel loro nuovo studio, i fisici della University of Winsconsin-Madison hanno creato un orologio multiplexed, in cui gli atomi di stronzio possono essere separati in più orologi disposti in linea nella stessa camera sottovuoto.

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. Quando però hanno puntato il laser su due orologi contemporaneamente e li hanno confrontati, il numero di atomi con elettroni eccitati è rimasto lo stesso per un massimo di 26 secondi. A dimostrazione del fatto che era possibile eseguire esperimenti significativi per molto più tempo di quanto il laser, definito da loro stessi "poco potente", consentisse in un normale orologio ottico.

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

Il passo successivo è stato chiedersi con quale precisione era possibile misurare le differenze tra gli orologi. Due gruppi di atomi che si trovano in ambienti diversi ticchettano infatti a velocità leggermente diverse a seconda della gravità, dei campi magnetici e di altre condizioni. Il team ha eseguito l'esperimento più di mille volte, misurando la differenza nella frequenza di ticchettio dei due orologi per un totale di circa tre ore. Come previsto, poiché gli orologi erano in due posizioni leggermente diverse, il ticchettio era leggermente diverso, ma il team ha dimostrato che, acquisendo sempre più misurazioni, era possibile misurare sempre meglio le differenze.

Ciò che è emerso dalla ricerca è che il team potrebbe rilevare una differenza nella frequenza del ticchettio tra i due orologi che corrisponderebbe a un disaccordo tra loro di solo un secondo ogni 300 miliardi di anni, una misurazione del cronometraggio di precisione che stabilisce un record mondiale per due orologi spazialmente separati.

Lo studio del Jila

La scoperta avrebbe fruttato al team anche un record mondiale, quello per la differenza di frequenza complessiva più precisa, se non fosse stato per un altro articolo, pubblicato nello stesso numero di Nature. Lo studio è stato condotto da un gruppo del Jila (Joint Institute for Laboratory Astrophysics), un istituto di ricerca in Colorado. Il gruppo 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 della University of Winsconsin-Madison.

I loro risultati, ottenuti a una distanza di un millimetro, rappresentano anche la distanza più breve fino ad oggi alla quale la teoria della relatività di Einstein è stata testata con gli orologi. Il gruppo di Kolkowitz ha in programma di eseguire presto un test simile a quello svolto dal gruppo del Jila.

"La cosa sorprendente è che abbiamo ottenuto prestazioni simili a quelle del gruppo Jila, nonostante il fatto che stiamo utilizzando un laser di un ordine di potenza peggiore - ha detto Kolkowitz - Questo è molto significativo per tante applicazioni del mondo reale, visto che il nostro laser assomiglia molto di più a quello che porteresti sul campo". Molte applicazioni degli orologi ottici richiederanno infatti laser portatili e disponibili in commercio come quello relativamente meno potente usato dal team della University of Winsconsin-Madison, e progettare un orologio che possa utilizzare questi laser medi sarebbe un vantaggio a livello di ricerca scientifica.

Proprio per dimostrare queste potenziali applicazioni, il team di Kolkowitz ha confrontato le variazioni di frequenza tra ciascuna coppia di sei orologi multiplex in un loop. Hanno scoperto che le differenze sono praticamente zero quando tornano al primo orologio nel loop, confermando la coerenza delle loro misurazioni e avanzando la possibilità di poter rilevare minuscole variazioni di frequenza all'interno della rete.

"Immaginiamo che una nuvola di materia oscura passi attraverso una rete di orologi: ci sono modi in cui posso vedere quella materia oscura in queste comparazioni - si chiede Kolkowitz - Questo è un esperimento che possiamo fare ora, e in precedenza che si poteva fare in nessun sistema sperimentale a disposizione".

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