Un passo avanti nella misurazione del tempo
Un gruppo di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha recentemente fatto un notevole progresso nel settore della misurazione del tempo. Dopo due decenni di studi, sono pronti a scrivere una nuova pagina della storia: presentano un orologio atomico ottico che si preannuncia come il più preciso mai realizzato. Questo dispositivo innovativo, che sfrutta un singolo ione di alluminio intrappolato, è capace di mantenere il tempo con una precisione tale che, per guadagnare o perdere un secondo, sarebbe necessario un intervallo di tempo superiore all’età dell’universo.
Accuratezza e stabilità: due concetti fondamentali
Per apprezzare appieno l’importanza di questo traguardo, è cruciale distinguere tra due aspetti fondamentali: l’accuratezza, che indica quanto un orologio si avvicina al “vero” tempo, e la stabilità, che concerne la costanza delle misurazioni. L’orologio sviluppato dal NIST raggiunge un’incertezza di frequenza frazionaria di 5,5 × 10-18 e una stabilità di 3,5 × 10-17 /√τ secondi, superando di oltre il doppio le prestazioni dei precedenti orologi a ioni.
La tecnologia innovativa
La tecnologia alla base di questo orologio è di grande interesse. Utilizza un ione di alluminio 27Al+, supportato da un ione di magnesio 24Mg+ che funge da “partner di supporto”. L’alluminio è particolarmente efficace nel scandire il tempo, poiché i suoi “tic” atomici sono poco influenzati da campi magnetici o variazioni di temperatura. Tuttavia, la sua manipolazione tramite laser può risultare complessa. Qui entra in gioco il magnesio, più facile da controllare e raffreddare, che consente di monitorare indirettamente lo stato dell’alluminio e di mantenerlo stabile.
Innovazioni chiave nel design
Tra le innovazioni più significative, spicca l’estensione della durata della sonda Rabi a un secondo, resa possibile grazie a un laser stabilizzato in laboratorio e trasmesso via fibra ottica per 3,6 chilometri. Questo ha comportato una riduzione dell’instabilità di un fattore tre. Inoltre, la trappola per gli ioni è stata riprogettata per minimizzare i micromovimenti indesiderati, utilizzando un wafer di diamante più spesso e un nuovo bilanciamento dei rivestimenti in oro degli elettrodi.
Rivoluzione nel sistema di contenimento
Il sistema di contenimento ha subito una vera e propria trasformazione: la camera a vuoto, ora realizzata in titanio, ha ridotto di 150 volte la presenza di idrogeno residuo, consentendo al dispositivo di funzionare per giorni interi senza necessità di ricaricare gli ioni. I ricercatori hanno anche misurato in modo direzionale il campo magnetico alternato generato dalla trappola a radiofrequenza, eliminando così una fonte significativa di incertezza.
Un futuro di precisione estrema
Grazie a queste innovazioni, il nuovo orologio è in grado di raggiungere una precisione a 19 cifre decimali in circa un giorno e mezzo di misurazioni, un risultato straordinario se si considera che in passato erano necessarie tre settimane. L’aspirazione futura è quella di ampliare il numero di ioni utilizzati o addirittura intrecciarli in stati quantistici entangled, aprendo la strada a una nuova generazione di strumenti ancora più sofisticati.
Implicazioni di una precisione senza precedenti
Un orologio con una tale precisione potrebbe non solo ridefinire ufficialmente il secondo, ma anche migliorare la nostra comprensione della gravità terrestre, affinare i modelli geologici e persino testare i fondamenti della fisica, verificando se le costanti naturali rimangono davvero immutabili nel tempo.
