L’orologio atomico più preciso al mondo diventa 3D

TECNOLOGIA – Imprigionare gli atomi di un gas quantistico in un piccolo cubo con un laser e raffreddarli a temperature dell’ordine del miliardesimo di Kelvin, quasi allo zero assoluto, per sfruttare il loro comportamento quantistico e ottenere la misurazione del tempo più precisa mai registrata fino ad oggi. A riuscire nell’impresa i ricercatori del JILA, laboratorio dove collaborano gli scienziati del NIST, National Institute of Standards and Technology, e della University of Colorado di Boulder, guidati dal fisico Jun Ye, che ha creato un nuovo orologio atomico dalla forma di un cubo dove gli atomi di stronzio raggiungono una densità mille volte maggiore del precedente orologio unidimensionale.

Il risultato è un orologio atomico con performance superiori a quelle di tutti i suoi predecessori, 20 volte più preciso. Il nuovo orologio ha un fattore di qualità, cioè il livello di sincronizzazione tra gli atomi e i laser utilizzati per sondarli, che è nettamente maggiore del precedente e che permette di ottenere un “ticchettio” stabile per una durata di tempo superiore, in modo da raggiungere un’altissima precisione nella misurazione del tempo, come sottolinea Ye, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science:

“Entriamo in una nuova era davvero interessante, dove siamo in grado di progettare quantisticamente uno stato di materia per un determinato scopo di misura”.

Ma come funziona un orologio atomico? Per misurare il tempo i ricercatori sfruttano le proprietà degli atomi, come ad esempio le frequenze di specifiche transizioni tra livelli energetici. Nel caso degli orologi unidimensionali, detti anche a reticolo ottico, i ricercatori misurano il “ticchettio” di ogni singolo atomo, disposto in una struttura lineare unidimensionale che ricorda la forma di una frittella. Dato che ognuno degli atomi agisce separatamente rispetto agli altri, la misurazione del tempo viene ottenuta mediando le frequenze a cui vibrano i singoli componenti del reticolo.

Il comportamento indipendente degli atomi però rappresenta un limite nell’affinare la precisione della misura. Per aumentare la stabilità del ticchettio infatti è necessario aumentare il numero di atomi che compongono il gas termico, incrementando di conseguenza la densità e il numero di collisioni. Il risultato è un numero maggiore di interazioni, che creano uno spostamento delle frequenze di ticchettio e una riduzione dell’accuratezza della misura.

Al contrario degli orologi atomici basati su gas termici, il nuovo prototipo del NIST si basa sull’utilizzo di un nuovo stato della materia, chiamato gas di Fermi degenerato. Si tratta di un gas di fermioni che, portato a temperature prossime allo zero assoluto, vede le singole particelle disporsi in un reticolo che ricorda una grande confezione di uova, dove ogni singolo nodo è occupato da una sola particella. Il gas quantistico quindi si comporta come un isolante, cioè come un’unica entità in cui non si verificano interazioni o collisioni che possano disturbare la frequenza di ticchettio.

Proprio questa suo comportamento permette agli scienziati di sfruttare tutte quelle proprietà atomiche che possono essere facilmente quantizzate, cioè ricondotte a specifici valori, come spiega Ye:

“Il grande potenziale di questo orologio è rappresentato dalla possibilità di aumentare il numero atomico e di sfruttare a pieno il suo tempo di coerenza, cioè quanto a lungo una serie di ticchettii rimangono stabili. Due caratteristiche che rendono questa nuova classe di orologi atomici qualitativamente superiori a quelli precedenti”.

In funzione degli obiettivi di misurazione e delle applicazioni, i ricercatori sono riusciti a ottimizzare i parametri dell’orologio come la temperatura operazionale, che varia dai 10 ai 50 nanokelvin, il numero atomico e la taglia fisica del cubo, dai 20 ai 60 micrometri, cioè dell’ordine del milionesimo di metro.

I ricercatori sono così riusciti a raggiungere un fattore di qualità, cioè quanto a lungo un’oscillazione o una forma d’onda persiste prima di andare dissipata, di 5,2 biliardi e hanno scoperto che le collisioni atomiche in questo gas sono così ridotte che il loro contributo alla variazione di frequenze nell’orologio è molto inferiore agli esperimenti precedenti.

I dati sperimentali mostrano che il nuovo orologio atomico a 3D raggiunge una precisione di 3,5 parti su 10 miliardi di miliardi in appena due ore, con un margine di miglioramento significativo rispetto ai precedenti prototipi. L’orologio atomico a gas quantistico rappresenta dunque un nuovo importante record per gli scienziati del NIST, ex National Bureau of Standards dove nel 1948 fu realizzato il primo orologio atomico, come spiega Thomas O’Brian, supervisore di Ye e capo della NIST Quantum Physics Division:

“Si tratta di un successo non solo sorprendente, ma anche precoce, perché per la prima volta abbiamo dimostrato un’applicazione pratica della nuova rivoluzione quantistica. Utilizzando un approccio del tutto nuovo, il NIST e il laboratorio JILA hanno sfruttato le correlazioni quantistiche, ponendo le basi per una grande varietà di tecniche di misurazione e di nuove tecnologie che vanno ben oltre la ‘semplice’ misurazione del tempo”.

@oscillazioni

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