Orologi da record: 1000 volte più precisi di quegli atomici al cesio

Un’altra barriera della precisione nella misura del tempo è stata abbattuta nei laboratori giapponesi di metrologia quantistica dell’istituto RIKEN, dove sono stati realizzati due orologi a reticoli ottici in grado di misurare il tempo con un livello di sincronia da record: si sfasano, infatti, di un solo secondo ogni 16 miliardi di anni. Si tratta, quindi, di orologi ben 1000 volte più precisi degli orologi atomici al cesio, sui quali si basano gli attuali standard internazionali. Misurazione del tempo: problema antico La necessità di misurare il tempo e di trovare dei fenomeni ripetitivi e periodici che ne permettessero la quantificazione è storia antica. Passando dalle meridiane, che sfruttavano il moto terrestre, ai pendoli, agli orologi meccanici, l’esigenza di aumentare la precisione delle misurazioni e di trovare nuovi sistemi di riferimento ha portato a guardare sempre più al microscopico, fino ad arrivare ai fenomeni periodici che accadono all’interno dell’atomo. L’orologio atomico si basa sulla frequenza di risonanza di un atomo, cioè su quella frequenza di radiazione che emette un suo elettrone passando da un livello energetico all’altro. Il primo modello di orologio atomico sufficientemente accurato, basato sulle transizioni di livelli energetici dell’atomo di cesio, fu installato nell’osservatorio di Greenwich, vicino a Londra, nel 1955. Da allora gli orologi al cesio si sono affinati sempre di più fino ad arrivare al modello, che risale agli anni ’90, sul quale si basa l’attuale definizione di unità di tempo, il secondo. Soluzione sempre più raffinate Tecniche sempre più affinate hanno permesso di minimizzare l'interferenza dovuta ai movimenti atomici, ad esempio tramite raffreddamento laser, e di utilizzare atomi dalle frequenze di risonanza sempre più fini, con il risultato di avere orologi atomici dai livelli di precisione impensabili. Poco più di un anno fa è stato annunciato su Nature lo sviluppo di un orologio a base di atomi di stronzio in grado di non perdere né guadagnare un solo secondo in 5 miliardi di anni, un vero e proprio record di precisione nella misurazione del tempo. Questo record, però, è durato poco. Gli scienziati giapponesi del RIKEN Institute hanno fatto di più, creando due orologi atomici in grado di sfasarsi di un solo secondo ogni 16 miliardi di anni, un arco di tempo più lungo dell'attuale età dell'Universo! Gli atomi di stronzio sono stati “intrappolati” in due diversi reticoli, composti di raggi laser a una specifica lunghezza d'onda, e raffreddati a una temperatura di -180 gradi Celsius per eliminare ogni possibile perturbazione. La frequenza di transizione degli elettroni presenti nei due orologi così confezionati è stata misurata per un mese e confrontata tra i due, rivelando l'incredibile grado di sincronia dei due orologi.

Rappresentazione schematica dell'interferenza creata dal reticolo raggi laser. La struttura a "contenitore di uova" permette di tenere intrappolati gli atomi di stronzio (Immagine: RIKEN)

Quali saranno le applicazioni di questi nuovi orologi ultra precisi? Chiaramente non potranno cambiare significativamente il nostro quotidiano, ma potrebbero di sicuro avere importanti applicazioni del campo delle scienze della terra, in particolare della geodesia, nelle misurazioni di fenomeni terrestri, come i movimenti della lava nelle zone vulcaniche o le variazioni di gravità terrestre, e infine nell'individuazione di risorse sotterranee. Gli scienziati sperano, inoltre, che potremo avere presto una nuova definizione standard di "secondo", non più basata sui vecchi orologi atomici al cesio ma sui nuovi modelli a raggi laser e stronzio. Tempo, insomma, di cambiamenti nel vecchio sistema di unità di misura. Immagine banner in evidenza: pixabay Immagine box in homepage: RIKEN

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