I ricercatori del Center for Quantum Technologies della National University of Singapore stanno costruendo un orologio atomico unico nel suo genere utilizzando l'elemento lutezio. Credito:Centro per le tecnologie quantistiche, Università Nazionale di Singapore
Come gli orologiai che scelgono materiali di qualità superiore per costruire un orologio raffinato, i fisici del Center for Quantum Technologies (CQT) della National University of Singapore hanno individuato un atomo che potrebbe consentire loro di costruire orologi atomici migliori. Il rapporto del team CQT in Comunicazioni sulla natura che un elemento precedentemente trascurato, il lutezio, potrebbe migliorare i migliori orologi di oggi. Il lutezio (Lu) è un elemento delle terre rare con numero atomico 71.
"Le prestazioni massime di un orologio dipendono dalle proprietà dell'atomo:quanto è insensibile l'atomo al suo ambiente. Direi che il lutezio è il migliore nella sua classe, "dice Murray Barrett, che ha condotto la ricerca. Dati nel documento della squadra, pubblicato il 25 aprile in Comunicazioni sulla natura , mostra che il lutezio ha una sensibilità alla temperatura inferiore rispetto agli atomi utilizzati oggi negli orologi. Queste misurazioni si aggiungono ai risultati precedenti che mostrano che potrebbe essere la base di un clock ad alte prestazioni.
Gli orologi atomici hanno fissato lo standard globale per la misurazione del tempo per oltre mezzo secolo. Ma poiché il secondo è stato definito con riferimento agli atomi di cesio negli anni '60, c'è stata una competizione mondiale per migliorare l'accuratezza e la stabilità degli orologi atomici. I segnali orari degli orologi al cesio supportano ancora il Global Positioning System e aiutano a sincronizzare le reti di trasporto e comunicazione, ma atomi di molte altre specie, come l'itterbio, alluminio e stronzio, ora gareggiano per effettuare le misurazioni più precise del tempo.
Questi orologi di nuova generazione, con incertezze intorno a una parte su un miliardo di miliardi, stanno dimostrando il loro coraggio nel testare la fisica fondamentale, dalle misurazioni della gravità alla ricerca di derive nelle costanti fondamentali. Il "tick" di un orologio atomico non proviene direttamente dall'atomo, ma dall'oscillazione di un'onda luminosa. La frequenza di oscillazione è fissata bloccandola alla frequenza di risonanza dell'atomo. In pratica, questo significa che un laser è sintonizzato per far saltare uno degli elettroni dell'atomo da un livello di energia bassa a un livello di energia più alto. Quanta energia richiede questo salto è una proprietà fissa dell'atomo. La frequenza del laser è adattata per fornire la giusta quantità di energia in una singola particella di luce (un fotone). Una volta trovato questo punto debole, l'orologio conta il tempo misurando le oscillazioni dell'onda luminosa.
Guarda nel cuore di un orologio atomico. Qui, un singolo atomo è intrappolato nella camera a vuoto metallica con la finestra rotonda. Il ticchettio dell'orologio proviene da un laser sintonizzato per interagire con questo atomo. Credito:Centro per le tecnologie quantistiche, Università Nazionale di Singapore
Gli orologi al cesio funzionano alla frequenza delle microonde, o esattamente 9, 192, 631, 770 tick al secondo. La generazione più recente di orologi atomici funziona a frequenze ottiche, che segnano circa 10, 000 volte più veloce. Il conteggio del tempo in incrementi più piccoli consente una misurazione più precisa.
Il lutezio funzionerà anche a frequenze ottiche, ma per creare buoni orologi c'è di più che un rapido tic tac:anche questi tic devono essere stabili nel tempo. È qui che il lutezio può brillare.
Una fonte di imprecisione nella frequenza di clock è la sensibilità alla temperatura dell'ambiente che circonda l'atomo. Barrett e i suoi colleghi hanno appena misurato la forza di questo "spostamento della radiazione del corpo nero" per le transizioni dell'orologio nel lutezio. Lo sforzo di sei mesi, coinvolgendo un laser ad alta potenza come quelli utilizzati per il taglio industriale, ha dato un risultato per lo spostamento della radiazione del corpo nero per una transizione di livello di energia che è più vicino allo zero rispetto a qualsiasi orologio atomico ottico stabilito.
"Abbiamo definitivamente dimostrato che il lutezio è il meno sensibile alla temperatura di tutti gli orologi atomici stabiliti, ", afferma il primo autore Kyle Arnold. Ciò non solo renderà un orologio di laboratorio più accurato, ma anche rendere più pratici gli orologi che escono dai laboratori, consentendo loro di operare in una gamma più ampia di ambienti.
In documenti precedenti, il team ha riportato altre proprietà del lutezio rilevanti per la costruzione di orologi, scoprendo che possono competere con i migliori atomi di clock di oggi. "Se riesci a costruire un buon orologio all'itterbio, costruirai inevitabilmente un orologio al lutezio migliore, o almeno sarà un lavoro più facile per te costruire un orologio in lutezio che sia altrettanto buono, " dice Barrett. Per ora, i ricercatori stanno lavorando per orologi con ioni singoli, ma alla fine, vorrebbero creare orologi basati su reticoli o reti di molti ioni. Iniziano con il lutezio sfuso come una lamina di metallo bianco-argenteo prima di far bollire alcuni atomi nel loro apparato.
I membri del team non sono a conoscenza di altri gruppi che lavorano con il lutezio. Uno dei motivi per cui il lutezio non è stato sperimentato è che richiedeva una nuova tecnica, scoperto da Barrett e dai suoi collaboratori, per cancellare alcune fonti di imprecisione nell'orologio. Questa "tecnica della media iperfine" è descritta in articoli precedenti. "Non lo vedo comunque come un metodo eccessivamente tecnico, cosa difficile da fare, ma penso che le persone stiano aspettando di vedere come funzionerà, "dice Barretta.
