Una collaborazione europea che coinvolge esperti di orologi del National Physical Laboratory (NPL), il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) e l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) hanno utilizzato per la prima volta un orologio atomico ottico trasportabile per misurare la gravitazione. I risultati dell'esperimento sono stati pubblicati in Fisica della natura .

Fino ad ora, orologi così delicati sono stati limitati ai laboratori di alcuni importanti istituti di ricerca. Però, i ricercatori del PTB hanno sviluppato un orologio reticolare ottico allo stronzio trasportabile per eseguire misurazioni sul campo. L'orologio trasportabile è stato portato in un rimorchio smorzato dalle vibrazioni e stabilizzato alla temperatura fino al Laboratorio sotterraneo di Modane (LSM) francese. Il laboratorio multidisciplinare si trova al centro del tunnel stradale del Fréjus tra Francia e Italia.

Là, il team ha misurato la differenza di potenziale gravitazionale tra la posizione esatta dell'orologio all'interno della montagna e un secondo orologio all'INRIM situato a 90 km di distanza a Torino, Italia, ad un dislivello di circa 1, 000 m.

Il confronto accurato dei due orologi è stato reso possibile utilizzando un collegamento in fibra ottica lungo 150 km istituito dall'INRIM e un pettine di frequenza di NPL per collegare l'orologio al collegamento. I ricercatori della Leibniz Universität Hannover hanno anche determinato la differenza di potenziale di gravità utilizzando tecniche geodetiche convenzionali, e le due misurazioni si sono dimostrate coerenti.

Con miglioramenti alla precisione dell'orologio ottico trasportabile, questa tecnica ha il potenziale per risolvere differenze di altezza fino a 1 cm sulla superficie terrestre. Il vantaggio dell'utilizzo di orologi ottici è che possono effettuare misurazioni in punti specifici in contrasto con le misurazioni satellitari, come GRACE e GOCE, che media il potenziale gravitazionale su scale di lunghezza di circa 100 km.

Questo nuovo metodo potrebbe portare a misurazioni ad alta risoluzione del potenziale gravitazionale terrestre, consentendo agli scienziati di monitorare i cambiamenti di altezza continentale relativi ai livelli del mare e la dinamica delle correnti oceaniche con una precisione senza precedenti. Porterà anche a sistemi nazionali di altezza più coerenti.

Attualmente, diversi paesi misurano la superficie terrestre allo stesso modo, ma relativa a diversi livelli di riferimento. Ciò ha portato a problemi, uno di questi è il ponte Hochrhein tra Germania e Svizzera, dove la costruzione su ogni lato ha utilizzato diversi calcoli del livello del mare, determinando una discrepanza di 54 cm tra i due lati.

Raggiungere la coerenza tra i sistemi di altezza nazionali eviterà errori costosi nei progetti di ingegneria e costruzione. Misure migliorate del potenziale gravitazionale possono anche aiutare a migliorare la nostra comprensione degli effetti geodinamici associati ai cambiamenti di massa sotto la superficie terrestre.

Questa tecnologia misurerà anche il cambiamento del livello del mare in tempo reale, consentendo ai ricercatori di tenere traccia delle tendenze stagionali ea lungo termine delle masse delle calotte glaciali e dei cambiamenti complessivi della massa oceanica. Tali dati forniscono input critici nei modelli utilizzati per studiare e prevedere gli effetti del cambiamento climatico.

Elena Margolis, borsista in standard di frequenza ottica e metrologia presso NPL, disse, "Il nostro esperimento di prova del principio dimostra che gli orologi ottici potrebbero fornire un modo per eliminare le discrepanze e armonizzare le misurazioni effettuate oltre i confini nazionali. Un giorno, tale tecnologia potrebbe aiutare a monitorare i cambiamenti del livello del mare derivanti dal cambiamento climatico".

Il capogruppo Christian Lisdat al PTB, disse, "Gli orologi ottici sono considerati la prossima generazione di orologi atomici, che operano non solo nei laboratori ma anche come strumenti mobili di precisione".

Davide Calonico all'INRIM, disse, "Abbiamo dimostrato che gli orologi ottici sono preziosi sensori quantistici, e la loro tecnologia quantistica è vantaggiosa al di fuori della metrologia primaria, nella geodesia. Insieme, orologi ottici e collegamenti in fibra ottica offrono la possibilità di accedere a nuove e affascinanti indagini scientifiche"

Heiner Denker alla Leibniz Universität Hannover, disse, "Gli orologi ottici di nuova concezione hanno il potenziale per rivoluzionare la determinazione dell'altezza geodetica, in quanto possono superare alcuni dei limiti delle tecniche geodetiche classiche. Gli orologi ottici potrebbero aiutare a stabilire un sistema di riferimento dell'altezza mondiale unificato con un impatto significativo sulla ricerca geodinamica e climatica".