La Cina crea un orologio ottico che sarà perfettamente preciso per sette miliardi di anni

I ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina hanno presumibilmente costruito un orologio ottico con una stabilità e un’incertezza inferiore ai cinque quintilionesimi di secondo. L’orologio perderà o guadagnerà un secondo nei prossimi sette miliardi di anni. Pertanto, è probabile che rappresenti l’ora esatta per tutta la durata della nostra vita, dei nostri figli e dei nostri nipoti.

Gli orologi ottici hanno un ruolo fondamentale nel futuro che si sta delineando oggi. Gli scienziati sono convinti di poter sviluppare sistemi di posizionamento globale (GPS) e di distribuzione quantistica delle chiavi più accurati utilizzando gli orologi ottici. Le innovazioni rispetto ad altri orologi ultra precisi sono legate all’utilizzo dello stronzio come atomo di riferimento e alle modalità di eccitazione tramite fotoni.

I team di ricerca di Giappone, Stati Uniti e Germania hanno lavorato allo sviluppo di orologi atomici. Tuttavia, l’orologio atomico più preciso si trova presso l’Università del Colorado a Boulder ed è anche stabile nel suo funzionamento. Grazie a questo recente risultato, la Cina è diventata la seconda nazione al mondo ad aver dimostrato un preciso cronometraggio. Tuttavia, l’orologio deve essere più preciso della sua controparte statunitense.

Orologio atomico dell’Universatà di Boulder

Un passo avanti: gli scienziati usano fonti di luce per alimentare un orologio nucleare
Corsa per ridurre il tempo negli orologi atomici più piccoli del mondo

Come viene definito un secondo

Un secondo è definito dalla scienza sulla base di un orologio atomico, noto come orologio a fontana  di cesio. Gli atomi di cesio vengono irradiati col segnale a microonda, e “interrogati” sul proprio stato (quantistico, di spin) dopo l’esposizione. A seconda del risultato la frequenza di interrogazione viene variata in più o in meno, fino ad essere “agganciata” alla risonanza dell’atomo. Un fascio di atomi di cesio esce da un forno, viene indirizzato in un campo magnetico, per essere poi investito dalle microonde in una zona di interazione, e infine interrogato sul proprio stato da uno spettrometro di massa.

Ogni ciclo di questo tipo è un piccolo ticchettio che costituisce frazioni di secondo, consentendo agli scienziati di mantenere un cronometraggio preciso fino a diversi quadrilionesimi. Tuttavia, la precisione di un orologio di questo tipo dipende dalla frequenza delle microonde. Per questo motivo, i ricercatori hanno sviluppato un orologio ottico che sostituisce le microonde con la luce laser. Si stima che questo migliorerà le prestazioni dell’orologio di due ordini di grandezza.

Orologio a fontana di cesio

Costruire orologi ottici per il futuro

Per adottare gli orologi ottici digitali è necessario che almeno tre laboratori raggiungano una stabilità inferiore a cinque quintillionesimi e un’incertezza inferiore a due quintillionesimi. Sotto la guida di Pan Jianwei, il team di ricerca cinese ha utilizzato lo stronzio per realizzare il suo orologio ottico.

I ricercatori hanno raffreddato gli atomi di stronzio a temperature di pochi micro-Kelvin. Poi, li hanno intrappolati in un reticolo monodimensionale creato con l’aiuto di raggi laser intersecanti. Hanno poi utilizzato un laser ultra-stabile per innescare gli atomi e realizzare una oscillazione transizione di stato stabile e precisa.

Il confronto con altri orologi indipendenti ha confermato che l’orologio ottico era stabile fino a 2,2 quintillionesimi, mentre la sua incertezza era di 4,4 quintillionesimi. Nella rivista di ricerca Metrologia, i ricercatori hanno dichiarato che il loro orologio ottico perderebbe o guadagnerebbe un secondo in 7,2 miliardi di anni.

Ciò fa sì che il lavoro del team rientri nei criteri minimi richiesti per la costruzione di un futuro che utilizzi orologi ottici per un preciso cronometraggio. I ricercatori hanno anche in programma di utilizzare altri atomi, come l’itterbio, per realizzare l’orologio e confrontare le differenze nella misurazione del tempo.

I ricercatori hanno anche dichiarato che il loro lavoro ha aperto nuove strade per testare le teorie fondamentali della fisica e per cercare le onde gravitazionali e la materia oscura. La misurazione estremamente precisa del tempo è necessaria in fisica, oppure nel tarare i sistemi atellitari GPS, la cui precisione dipende proprio dalla sincronia degli orologi interni del sistema.