Rivoluzione nel Tempo: Gli Orologi Atomici Ottici Pronti a Sfidare il Cesio

Scopri come la nuova tecnologia degli orologi ottici sta ridefinendo la misurazione del secondo con una precisione senza precedenti.

Una Nuova Era nella Misurazione del Tempo

La ricerca scientifica ha compiuto un passo significativo verso la ridefinizione del secondo grazie all’emergere di orologi atomici ottici. Questi dispositivi innovativi utilizzano frequenze laser che “ticchettano” a una velocità impressionante, circa 100.000 volte superiore a quella delle frequenze a microonde degli attuali orologi al cesio. Nonostante siano ancora in fase di sviluppo, alcuni modelli hanno dimostrato una precisione fino a 100 volte superiore rispetto ai loro omologhi basati sul cesio. Questa straordinaria accuratezza li posiziona come candidati ideali per diventare la nuova base della definizione del secondo nel Sistema Internazionale di Unità.

Test e Validazione degli Orologi Ottici

Prima che gli orologi ottici possano sostituire quelli al cesio, è fondamentale che vengano sottoposti a rigorosi test a livello globale. Il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ha svolto un ruolo cruciale nello sviluppo di questa tecnologia, realizzando diversi tipi di orologi ottici, tra cui:

  • Orologi a ioni singoli
  • Orologi a reticolo ottico

Recentemente, il PTB ha raggiunto un traguardo straordinario con un nuovo tipo di orologio ottico, conosciuto come orologio a cristallo di ioni, capace di misurare il tempo con una precisione mille volte superiore a quella degli orologi al cesio. I risultati di queste ricerche sono stati pubblicati su *Physical Review Letters*.

Cristallo Composto da Ioni di Indio e Itterbio
Un cristallo composto da ioni di indio (rosa) e itterbio (blu). La figura mostra la fluorescenza dei singoli atomi, che viene rilevata per determinare lo stato quantistico. I colori sono stati regolati; la fluorescenza di entrambe le specie è nell’intervallo spettrale dell’ultravioletto.
Istituto Federale di Metrologia

Il Funzionamento degli Orologi Atomici Ottici

Il principio di funzionamento di un orologio atomico ottico si basa sull’irradiazione di atomi tramite luce laser. Quando il laser emette luce alla frequenza corretta, gli atomi subiscono una transizione nel loro stato quantistico. Per garantire la precisione, è essenziale schermare gli atomi da interferenze esterne. Gli orologi ottici a ioni intrappolati, dove gli ioni sono mantenuti in posizione mediante campi elettrici, hanno già raggiunto incertezze sistematiche relative superiori al 18° decimale. Un orologio di questo tipo, se avesse iniziato a “ticchettare” sin dal Big Bang, avrebbe accumulato al massimo un secondo di errore.

Schema di Confronto dell'Orologio
Uno schema del confronto dell’orologio: il nuovo orologio a cristallo di indio-itterbio è stato confrontato con l’orologio a reticolo di stronzio, l’orologio a singolo ione di itterbio e l’orologio a fontana di cesio del PTB.
Istituto Federale di Metrologia

Innovazioni nei Cristalli di Ioni

Il nuovo orologio sviluppato dal PTB promette di ridurre drasticamente il tempo necessario per le misurazioni. Grazie a un approccio innovativo che prevede la parallelizzazione, più ioni vengono intrappolati simultaneamente in un’unica trappola. Il fisico del PTB, Jonas Keller, spiega che:

  • Utilizziamo ioni di indio per le loro proprietà favorevoli a raggiungere alta precisione
  • Aggiungiamo ioni di itterbio per un raffreddamento efficiente

La leader del gruppo di ricerca, Tanja Mehlstäubler, ha affrontato e risolto le problematiche con idee innovative, portando l’orologio a una precisione vicina al 18° decimale.

Confronti tra Orologi per una Precisione Senza Pari

Per validare ulteriormente la precisione del nuovo orologio, sono stati coinvolti altri sistemi di orologi ottici e a microonde del PTB, tra cui:

  • Orologio a ioni singoli di itterbio
  • Orologio a reticolo di stronzio
  • Orologio a fontana di cesio

Il confronto tra l’orologio di indio e quello di itterbio ha raggiunto un’incertezza complessiva inferiore al limite richiesto per tali confronti, stabilendo un nuovo standard di accuratezza.

Riferimenti e Finanziamenti

Il lavoro di ricerca è stato parzialmente finanziato dalla Fondazione Tedesca per la Ricerca (DFG) nell’ambito del Cluster di Eccellenza Quantum Frontiers. I risultati sono stati pubblicati in “115In+ 172Yb+ Coulomb Crystal Clock with 2.5×10^-18 Systematic Uncertainty” di H. N. Hausser et al. su *Physical Review Letters*.