L'orologio atomico è disponibile in molte varietà. Alcuni sono componenti elettronici di dimensioni di chip, sviluppati per i militari ma attualmente disponibili in commercio, mentre orologi atomici più grandi e più accurati tengono traccia del tempo sui satelliti GPS. Ma tutti gli orologi atomici funzionano con lo stesso principio. Gli atomi puri - alcuni orologi usano cesio, altri usano elementi come il rubidio - hanno un certo numero di elettroni di valenza o elettroni nel guscio esterno di ciascun atomo. Quando gli atomi vengono colpiti con una frequenza specifica di radiazione elettromagnetica (onde di luce o microonde, per esempio), gli elettroni di valenza passano tra due stati energetici.
Negli anni '60, gli scienziati si sono allontanati dalla misurazione del tempo in base alle orbite e alle rotazioni dei corpi celesti e hanno iniziato a utilizzare questi orologi basati sui principi della meccanica quantistica. Può sembrare uno strano modo di misurare il tempo, ma la durata di un numero specifico di oscillazioni, o "tick", in un'ondata di radiazione elettromagnetica è il metodo ufficiale con cui gli scienziati definiscono il secondo. In particolare, un secondo è la durata di 9.192.631.770 oscillazioni di un laser a microonde che causerà la transizione degli atomi di cesio.
Ma abbiamo orologi atomici persino migliori di quelli che misurano il cesio.
"Se i nostri due orologi a itterbio fossero stati avviati all'inizio dell'universo, a questo punto nel tempo sarebbero in disaccordo tra loro per meno di un secondo", afferma William McGrew, un fisico del National Institute of Standards and Technology (NIST ), in un'e-mail.
Orologio atomico ultra stabile del reticolo di itterbio del NIST. Gli atomi di itterbio vengono generati in un forno (grande cilindro metallico a sinistra) e inviati a una camera a vuoto al centro della foto per essere manipolati e sondati dai laser. La luce laser viene trasportata all'orologio da cinque fibre (come la fibra gialla nella parte inferiore centrale della foto). (James Burrus / NIST) Gli orologi a itterbio di NIST, Yb-1 e Yb-2, sono un tipo unico di orologio atomico noto come orologio a reticolo ottico. In sostanza, gli orologi usano la radiazione elettromagnetica nella frequenza ottica, o laser, per intrappolare migliaia di atomi di itterbio e quindi far passare i loro elettroni esterni tra uno stato di energia terrestre e uno stato di energia eccitata. Rispetto al cesio, è necessaria una frequenza più elevata di radiazione elettromagnetica per causare la transizione dell'itterbio.
Tutte le onde elettromagnetiche, dalle onde radio ai raggi gamma e tutta la luce visibile nel mezzo, sono lo stesso tipo di onde costituite da fotoni: la differenza è semplicemente che le onde con frequenze più alte oscillano più rapidamente. Le microonde, che vengono utilizzate per la transizione del cesio, sono allungate in lunghezze d'onda più lunghe e frequenze più basse della luce visibile. L'uso di atomi che passano a frequenze più alte è la chiave per costruire un orologio migliore. Mentre un secondo è attualmente circa 9 miliardi di oscillazioni di un forno a microonde, la stessa durata del tempo sarebbe rappresentata da circa 500 trilioni di oscillazioni di un'onda di luce visibile, migliorando la capacità degli scienziati di misurare con precisione il tempo.
Se il laser di misurazione su un orologio a itterbio viene collegato esattamente alla frequenza corretta, gli atomi di itterbio salteranno allo stato di energia eccitata. Ciò si verifica quando il laser ha una frequenza esattamente di 518.295.836.590.863, 6 Hertz, il numero di "tick" in un secondo.
"Ciò corrisponde a una lunghezza d'onda di 578 nanometri, che appare gialla alla vista", afferma McGrew.
Nuove misurazioni con Yb-1 e Yb-2, guidate dal team di McGrew al NIST, hanno raggiunto nuovi record in tre aree chiave di precisione delle misurazioni, producendo, per alcuni aspetti, le migliori misurazioni della seconda mai raggiunta. In particolare, gli orologi stabiliscono nuovi record per incertezza, stabilità e riproducibilità sistematiche. Le nuove misurazioni sono dettagliate in un articolo pubblicato oggi su Nature .
Gli orologi ottici a itterbio sono ancora più precisi in questi aspetti rispetto agli orologi a fontana al cesio utilizzati per determinare la definizione di un secondo. Gli orologi a itterbio non sono tecnicamente più accurati degli orologi al cesio, poiché l'accuratezza è specificamente quanto una misurazione è vicina alla definizione ufficiale e nulla può essere più accurato degli orologi al cesio su cui si basa la definizione. Anche così, la metrica chiave qui è l'incertezza sistematica - una misura di quanto l'orologio realizza l'oscillazione vera, non disturbata, naturale degli atomi di itterbio (la frequenza esatta che li induce alla transizione).
Le nuove misurazioni corrispondono alla frequenza naturale entro un errore di 1, 4 parti in 10 18, ovvero circa un miliardesimo di miliardesimo. Gli orologi al cesio hanno raggiunto solo un'incertezza sistematica di circa una parte su 10 16 . Quindi, rispetto agli orologi al cesio, le nuove misurazioni di itterbio "sarebbero 100 volte migliori", afferma Andrew Ludlow, fisico del NIST e coautore del documento.
La sfida con questi tipi di misurazioni riguarda i fattori esterni che possono influenzare la frequenza naturale degli atomi di itterbio - e poiché queste sono alcune delle misurazioni più sensibili mai realizzate, ogni effetto fisico dell'universo è un fattore. "Quasi tutto ciò a cui potremmo arbitrariamente pensare in questo momento alla fine ha qualche effetto sulla frequenza di oscillazione dell'atomo", afferma Ludlow.
Gli effetti esterni che spostano la frequenza naturale degli orologi includono radiazione di corpo nero, gravità, campi elettrici e lievi collisioni degli atomi. "Trascorriamo molto del nostro tempo cercando di esaminare attentamente e ... comprendere esattamente tutti gli effetti che sono rilevanti per incasinare la frequenza di ticchettio dell'orologio - quella frequenza di transizione - e per entrare e fare misurazioni di quelli sugli atomi reali per caratterizzarli e aiutarci a capire quanto bene possiamo davvero controllare e misurare questi effetti ".
Per ridurre gli effetti di questi fattori fisici naturali, gli atomi di itterbio, che si trovano naturalmente in alcuni minerali, vengono prima riscaldati allo stato gassoso. Quindi il raffreddamento laser viene utilizzato per ridurre la temperatura degli atomi da centinaia di gradi Kelvin a pochi millesimi di grado, e quindi ulteriormente raffreddato a temperature di circa 10 microkelvin, o 10 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Gli atomi vengono quindi caricati in una camera a vuoto e in un ambiente con schermatura termica. Il laser di misurazione viene irradiato attraverso gli atomi e riflesso su se stesso, creando il "reticolo" che intrappola gli atomi nelle parti ad alta energia di un'onda stazionaria di luce, piuttosto che un'onda corrente, come un tipico puntatore laser.
Migliorare la "stabilità" e la "riproducibilità" delle misure, per le quali anche gli orologi a itterbio stabiliscono nuovi record, aiuta a tenere ulteriormente conto delle forze esterne che colpiscono gli orologi. La stabilità degli orologi è essenzialmente una misura di quanto la frequenza cambia nel tempo, misurata per Yb-1 e Yb-2 a 3, 2 parti in 10 19 nel corso di una giornata. La riproducibilità è una misura della distanza ravvicinata tra i due orologi e, attraverso 10 confronti, la differenza di frequenza tra Yb-1 e Yb-2 è stata determinata essere inferiore a un miliardesimo di miliardesimo.
"È fondamentale avere due orologi", afferma McGrew. “L'incertezza è caratterizzata dall'esame di ogni spostamento che potrebbe cambiare la frequenza di transizione. Tuttavia, c'è sempre la possibilità di "incognite sconosciute", cambiamenti che non sono ancora stati compresi. Avendo due sistemi, è possibile verificare la caratterizzazione dell'incertezza verificando se i due sistemi indipendenti sono d'accordo tra loro. "
Tale precisione nella misurazione dei tempi è già utilizzata dagli scienziati, ma le applicazioni pratiche di misurazioni migliorate della seconda includono progressi nella navigazione e nelle comunicazioni. Anche se nessuno avrebbe potuto saperlo in quel momento, i primi lavori con gli orologi atomici a metà del 20 ° secolo alla fine avrebbero consentito il Sistema di posizionamento globale e ogni settore e tecnologia che si basasse su di esso.
"Non credo di poter prevedere completamente quali applicazioni tra 20 o 50 anni trarranno il massimo beneficio da questo, ma posso dire che, guardando indietro nella storia, alcuni degli impatti più profondi degli orologi atomici oggi non erano previsti, "Dice Ludlow.
I laser gialli di uno degli orologi a reticolo ottico itterbio del NIST. (Nate Phillips / NIST) Gli orologi a itterbio potrebbero anche essere utilizzati nella ricerca fisica avanzata, come la modellazione del campo gravitazionale e la possibile rilevazione della materia oscura o delle onde gravitazionali. In sostanza, gli orologi sono così sensibili che è possibile rilevare qualsiasi interferenza dovuta al cambiamento di gravità o ad altre forze fisiche. Se posizionassi più orologi a itterbio in tutto il mondo, potresti misurare i minimi cambiamenti di gravità (che è più forte più vicino al livello del mare e più vicino ai poli), consentendo agli scienziati di misurare la forma del campo gravitazionale terrestre con più precisione che mai prima. Allo stesso modo, potrebbe essere rilevata un'interazione con particelle di materia oscura, o forse anche onde gravitazionali che colpiscono due orologi distanti tra loro.
“Dal punto di vista scientifico, oggi usiamo questa straordinaria precisione già per alcuni di questi studi di fisica fondamentale: cercare la materia oscura, cercare la variazione delle costanti fondamentali, cercare violazioni in alcune teorie di Einstein e altre cose. ... Se mai scoprissimo delle violazioni [delle leggi della fisica] usando questi incredibili strumenti di misurazione, questo potrebbe cambiare enormemente la nostra comprensione dell'universo, e quindi come la scienza e la tecnologia si evolveranno da lì in poi. "
Nei prossimi 10 anni circa, è possibile che le istituzioni scientifiche di misurazione del mondo decideranno di ridefinire il secondo sulla base di un orologio ottico piuttosto che di un orologio al cesio. Una tale ridefinizione è probabilmente inevitabile, perché i laser ottici operano a frequenze molto più elevate rispetto alle microonde, aumentando il numero di "tick" dell'orologio contenuti in un secondo. Una misurazione dell'orologio di itterbio sarebbe un buon candidato per una nuova definizione, ma gli orologi a reticolo ottico che usano mercurio e stronzio hanno prodotto risultati promettenti e gli orologi ottici a ioni, che sospendono e spostano un singolo atomo, presentano un'altra possibilità affascinante per una nuova definizione.
Queste misurazioni dei fenomeni atomici stanno diventando sempre più precise, e dove ci porterà la nostra comprensione evolutiva del tempo, è impossibile saperlo.
