Il nuovo orologio atomico ottico Tweezer clock

Il nuovo orologio atomico che misura le frequenze ottiche della luce è ancora più preciso e può eventualmente sostituire quello basato sulla radio.

Gli orologi atomici sono utilizzati in tutto il mondo per indicare con precisione l'ora. Ogni “tick” dell'orologio dipende dalle vibrazioni atomiche e dai loro effetti sui campi elettromagnetici circostanti. Gli orologi atomici standard attualmente in uso, basati sull'atomo cesio, indicano il tempo “contando” le frequenze radio. Questi orologi possono misurare il tempo con una precisione di un secondo ogni centinaia di milioni di anni. I nuovi orologi atomici che misurano le frequenze ottiche della luce sono ancora più precisi e possono eventualmente sostituire quelli basati sulla radio.

Ora, i ricercatori di Caltech e del Jet Propulsion Laboratory (JPL), gestito da Caltech per la NASA, hanno escogitato un nuovo design per un orologio atomico ottico che promette di essere il più accurato e preciso di sempre (l'accuratezza si riferisce alla capacità dell'orologio di fissare correttamente l'ora e precisione si riferisce alla sua capacità di dire l'ora nei minimi dettagli). Soprannominato 'tweezer clock', utilizza la tecnologia in cui le cosiddette pinzette laser sono utilizzate per manipolare singoli atomi.

Il dottor Manuel A. Endres, (1) un assistente professore di fisica presso Caltech che ha condotto un nuovo documento che descrive i risultati nella rivista Physical Review X. (2) spiega: “Uno degli obiettivi dei fisici è quello di essere in grado di dire l'ora nel modo più preciso possibile. Anche se gli orologi ultra precisi potrebbero non essere necessari per gli scopi quotidiani del conteggio del tempo, essi potrebbero portare a progressi nella ricerca fisica fondamentale nonché a nuove tecnologie che devono ancora essere immaginate.”

Il nuovo design dell'orologio si basa su due tipi di orologi atomici ottici già in uso. Il primo tipo si basa su un singolo atomo o ione carico intrappolato, mentre il secondo utilizza migliaia di atomi neutri intrappolati in quello che viene chiamato reticolo ottico. Nell'approccio degli ioni intrappolati, solo un atomo (lo ione) deve essere isolato e controllato con precisione, e ciò migliora la precisione dell'orologio. D'altra parte, l'approccio del reticolo ottico beneficia dell'avere più atomi - con più atomi ci sono meno incertezze che sorgono a causa delle fluttuazioni quantistiche casuali dei singoli atomi.

Il design dell'orologio atomico del gruppo Endres combina essenzialmente i vantaggi dei due design, raccogliendo i vantaggi di entrambi. Invece di utilizzare una raccolta di molti atomi, come nel caso dell'approccio del reticolo ottico, il nuovo design utilizza 40 atomi e questi atomi sono controllati con precisione con una pinzetta laser. A questo proposito, il nuovo design beneficia non solo di avere più atomi, ma anche di consentire ai ricercatori di controllare tali atomi.

“Questo approccio collega due branche della fisica: tecniche di controllo a singolo atomo e misurazione della precisione”, afferma Ivaylo Madjarov, (3) uno studente laureato Caltech e autore principale del nuovo studio. “Siamo pionieri di una nuova piattaforma per orologi atomici”.

Ivaylo Madjarov spiega che, in generale, gli atomi negli orologi atomici agiscono come diapason per aiutare a stabilizzare le frequenze elettromagnetiche o la luce laser. “Le oscillazioni della nostra luce laser agiscono come un pendolo che conta il passare del tempo. Gli atomi sono un riferimento molto affidabile che assicura la velocità costante del pendolo.”

Il team afferma che il nuovo sistema è ideale per le ricerche future sulle tecnologie quantistiche. Gli atomi in questi sistemi possono rimanere impigliati o collegati globalmente e questo stato impigliato può stabilizzare ulteriormente l'orologio. “Il nostro metodo può anche costituire un ponte per il calcolo quantistico e le architetture di comunicazione”, precisa il dottor Manuel A. Endres. “Unendo diverse tecniche in fisica, siamo entrati in una nuova frontiera”.

Altri autori includono: Alexandre Cooper-Roy, ex Caltech e ora all'Università di Waterloo; Adam Shaw, Jacob Covey e Tai Hyun Yoon di Caltech; Vladimir Schkolnik e Jason Williams di JPL.

Riferimenti:

(1) Manuel A. Endres

(2) An Atomic-Array Optical Clock with Single-Atom Readout

(3) Ivaylo Madjarov

Descrizione foto: Adam Shaw, Ivaylo Madjarov e Manuel Endres lavorano sul loro apparecchio laser a Caltech. - Credit: Caltech.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: "Tweezer Clock" May Help Tell Time More Precisely