Gli orologi atomici sperimentali presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno raggiunto tre nuovi record di prestazioni, ora ticchettio abbastanza preciso non solo per migliorare il cronometraggio e la navigazione, ma rileva anche deboli segnali di gravità, l'universo primordiale e forse anche la materia oscura.

Gli orologi intrappolano ciascuno un migliaio di atomi di itterbio in reticoli ottici, griglie fatte di raggi laser. Gli atomi ticchettano vibrando o passando tra due livelli di energia. Confrontando due orologi indipendenti, I fisici del NIST hanno ottenuto prestazioni record in tre importanti misure:incertezza sistematica, stabilità e riproducibilità.

Pubblicato online il 28 novembre sulla rivista Natura , i nuovi record di clock del NIST sono:

• Incertezza sistematica:quanto bene l'orologio rappresenta le vibrazioni naturali, o frequenza, degli atomi. I ricercatori del NIST hanno scoperto che ogni orologio ticchettava a una velocità che corrispondeva alla frequenza naturale entro un possibile errore di appena 1,4 parti in 10 ¹⁸ —circa un miliardesimo di miliardesimo.
• Stabilità:quanto cambia la frequenza dell'orologio in un intervallo di tempo specificato, misurato a un livello di 3,2 parti in 10 ¹⁹ (o 0,00000000000000000032) in un giorno.
• Riproducibilità:quanto vicino ticchettano i due orologi alla stessa frequenza, mostrato da 10 confronti della coppia di orologi, ottenendo una differenza di frequenza inferiore a 10 ^-18 livello (di nuovo, meno di un miliardesimo di miliardesimo).

"Incertezza sistematica, stabilità, e la riproducibilità può essere considerata la "scala reale" delle prestazioni per questi orologi, " Il leader del progetto Andrew Ludlow ha dichiarato. "L'accordo dei due orologi a questo livello senza precedenti, che chiamiamo riproducibilità, è forse il singolo risultato più importante, perché essenzialmente richiede e sostanzia gli altri due risultati".

"Questo è particolarmente vero perché la riproducibilità dimostrata mostra che l'errore totale degli orologi scende al di sotto della nostra capacità generale di spiegare l'effetto della gravità sul tempo qui sulla Terra. Quindi, poiché immaginiamo orologi come questi utilizzati in tutto il paese o nel mondo, la loro performance relativa sarebbe, per la prima volta, limitato dagli effetti gravitazionali della Terra".

La teoria della relatività di Einstein prevede che il ticchettio di un orologio atomico, questo è, la frequenza delle vibrazioni degli atomi, è ridotto, spostato verso l'estremità rossa dello spettro elettromagnetico, quando viene azionato in una gravità più forte. Questo è, il tempo passa più lentamente alle quote più basse.

Mentre questi cosiddetti redshift degradano il cronometraggio di un orologio, questa stessa sensibilità può essere capovolta per misurare squisitamente la gravità. Gli orologi supersensibili possono mappare la distorsione gravitazionale dello spazio-tempo in modo più preciso che mai. Le applicazioni includono la geodesia relativistica, che misura la forma gravitazionale della Terra, e rilevare segnali dall'universo primordiale come le onde gravitazionali e forse anche la "materia oscura" non ancora spiegata.

Gli orologi all'itterbio del NIST ora superano la capacità convenzionale di misurare il geoide, o la forma della Terra basata su rilievi mareologici del livello del mare. I confronti di tali orologi situati molto distanti, ad esempio in diversi continenti, potrebbero risolvere le misurazioni geodetiche entro 1 centimetro, meglio dell'attuale stato dell'arte di diversi centimetri.

Nell'ultimo decennio di nuovi record di prestazioni dell'orologio annunciati dal NIST e da altri laboratori in tutto il mondo, questo ultimo documento mette in mostra la riproducibilità ad alto livello, dicono i ricercatori. Per di più, il confronto di due orologi è il metodo tradizionale di valutazione delle prestazioni.

Tra i miglioramenti negli ultimi orologi all'itterbio del NIST c'era l'inclusione della schermatura termica ed elettrica, che circondano gli atomi per proteggerli dai campi elettrici vaganti e consentono ai ricercatori di caratterizzare e correggere meglio gli spostamenti di frequenza causati dalla radiazione termica.

L'atomo di itterbio è tra i potenziali candidati per la futura ridefinizione della seconda, l'unità di tempo internazionale, in termini di frequenze ottiche. I nuovi record di clock del NIST soddisfano uno dei requisiti della roadmap di ridefinizione internazionale, un miglioramento di 100 volte nella precisione convalidata rispetto ai migliori orologi basati sullo standard attuale, l'atomo di cesio, che vibra a frequenze di microonde inferiori.

Il NIST sta costruendo un orologio a reticolo di itterbio portatile con prestazioni all'avanguardia che potrebbe essere trasportato in altri laboratori in tutto il mondo per confronti di orologi e in altri luoghi per esplorare tecniche di geodesia relativistica.