Cosa potrebbe esserci di meglio di un orologio atomico leader nel mondo? Due orologi in uno.

I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno combinato due orologi atomici sperimentali basati su atomi di itterbio per stabilire un altro record mondiale di stabilità dell'orologio. La stabilità può essere pensata come la precisione con cui la durata di ogni tick dell'orologio corrisponde a ogni altro tick che viene prima e dopo.

Questa straordinaria stabilità rende l'orologio a reticolo di itterbio uno strumento più potente per test di precisione come se le "costanti fondamentali" della natura sono davvero costanti, e cerca la sfuggente materia oscura che si presume costituisse gran parte dell'universo. L'esperimento che dimostra il design del doppio orologio è riportato in Fotonica della natura .

"Abbiamo eliminato un tipo critico di rumore nel funzionamento dell'orologio, rendendo efficace il segnale di clock più forte, Il fisico del NIST Andrew Ludlow ha detto. "Ciò significa che possiamo raggiungere un'instabilità dell'orologio di 1,5 parti in un quintiglione (1 seguito da 18 zeri) in poche migliaia di secondi. Anche se questo batte solo leggermente il livello record di stabilità dell'orologio che abbiamo dimostrato alcuni anni fa, ci arriviamo 10 volte più velocemente."

Gli orologi atomici del NIST si comportano regolarmente a livelli molto alti, ma gli scienziati li modificano continuamente per ridurre lievi imperfezioni. Il nuovo design a doppio orologio elimina una piccola ma significativa distorsione nella frequenza del laser che sonda e si sincronizza con gli atomi. Più stabile è l'orologio, migliore è la sua potenza di misurazione.

Il nuovo "doppio orologio" a reticolo di itterbio è l'orologio più stabile al mondo, sebbene un altro orologio atomico del NIST, a base di stronzio e situato a JILA, detiene il record mondiale di precisione. La precisione si riferisce a quanto l'orologio si sintonizza sulla frequenza naturale alla quale gli atomi oscillano tra due livelli di energia elettronica.

Sia l'orologio all'itterbio che quello allo stronzio ticchettano a frequenze ottiche, molto più alte delle frequenze a microonde degli orologi atomici al cesio usati come standard temporali. Un orologio atomico ottico funziona sintonizzando la frequenza di un laser in modo che risuoni con la frequenza della transizione degli atomi tra due stati energetici. Questo ticchettio atomico viene trasferito al laser per essere utilizzato come strumento di cronometraggio. Qualsiasi rumore o incertezza che influisca su questo processo disturba la frequenza del laser e, così, la precisione del cronometraggio.

Gli orologi atomici ottici alternano tipicamente il rilevamento laser degli atomi con periodi di "tempo morto" durante i quali gli atomi vengono preparati e misurati. Durante i tempi morti, alcune fluttuazioni della frequenza del laser non vengono adeguatamente osservate o compensate nel processo di sintonizzazione del laser. Gli effetti di rumore risultanti (osservati per la prima volta negli anni '90 da G.J. Dick, poi del California Institute of Technology) ha, fino ad ora, stabilità e precisione dell'orologio limitate.

Il nuovo design del doppio orologio del NIST ha zero tempi morti ed è, perciò, soprannominato l'orologio ZDT e praticamente nessun rumore da tempi morti, perché sonda continuamente gli atomi passando avanti e indietro da un insieme atomico all'altro. I due ensemble di 5, 000 e 10, 000 atomi di itterbio, rispettivamente, sono intrappolati ciascuno in una griglia di luce laser chiamata reticolo ottico e sondati da un laser condiviso.

Le misurazioni delle risposte dei due insiemi atomici sono combinate per produrre un singolo, correzione combinata alla frequenza laser. Queste misurazioni e correzioni vengono eseguite due volte più velocemente rispetto a un singolo orologio. Perché non c'è il rumore dei tempi morti, il nuovo orologio raggiunge livelli di stabilità record 10 volte più velocemente di prima. In modo cruciale, le prestazioni sono ora limitate dal sistema atomico dell'orologio piuttosto che dal laser, un obiettivo a lungo cercato in fisica che Ludlow chiama un "sogno" per applicazioni future.

Questo approccio può in definitiva ridurre le dimensioni e la complessità dell'orologio atomico, in modo che l'apparato potesse essere reso abbastanza portatile da poter essere utilizzato al di fuori del laboratorio. Il pacchetto fisico è attualmente più grande di un singolo orologio, ma alla fine entrambi i sistemi atomici potrebbero condividere un singolo apparato del vuoto e sistemi laser più semplici, riducendo così le dimensioni complessive, ha detto Ludlow. Gli orologi atomici ottici portatili potrebbero essere distribuiti in tutto il mondo per la geodesia relativistica (misurazioni basate sulla gravità della forma della Terra) o trasportati su veicoli spaziali per test di relatività generale.