I ricercatori hanno misurato il ticchettio di un orologio ottico con una precisione da record, mostrando anche che l'orologio può funzionare con una coerenza senza precedenti. Questi risultati rappresentano un passo significativo verso la dimostrazione che la nuova generazione di orologi atomici ottici sono sufficientemente precisi e robusti da essere utilizzati per ridefinire la lunghezza ufficiale di un secondo, che è attualmente basato su orologi atomici a microonde.

"Una definizione più accurata di un secondo e una migliore infrastruttura di cronometraggio sosterrebbero i continui progressi nei sistemi di cronometraggio utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, compresi i sistemi di comunicazione e navigazione, "ha detto Andrew Ludlow, uno dei leader del gruppo di ricerca del National Institute of Standards and Technology (NIST), STATI UNITI D'AMERICA. "Fornirebbe anche misurazioni più precise per esplorare fenomeni fisici che non sono ancora completamente compresi".

La nuova ricerca è riportata in ottica .

"Gli orologi ottici sono probabilmente in grado di fornire una precisione molto più elevata, probabilmente da 10 a 100 volte meglio di quello che abbiamo misurato in questo lavoro, " ha affermato Ludlow. "Per dimostrare la vera precisione di questi orologi senza essere limitati dalla definizione odierna di secondo, saranno necessari confronti di alta qualità direttamente tra i vari tipi di orologi ottici".

Perché usare un orologio ottico?

Gli orologi funzionano contando un evento ricorrente con una frequenza nota, come l'oscillazione di un pendolo. Per gli orologi atomici tradizionali l'evento ricorrente è l'oscillazione naturale dell'atomo di cesio, che ha una frequenza nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico. Dal 1967, il Sistema Internazionale di Unità (SI) ha definito un secondo come il tempo che trascorre durante 9, 192, 631, 770 cicli del segnale a microonde prodotto da queste oscillazioni.

Gli orologi atomici ottici utilizzano atomi come itterbio e stronzio che oscillano di circa 100, 000 volte superiori alle frequenze delle microonde, nell'ottica, o visibile, parte dello spettro elettromagnetico. Queste frequenze più elevate consentono agli orologi ottici di ticchettare più velocemente degli orologi atomici a microonde, rendendoli più precisi e stabili nel tempo.

"Le frequenze più alte misurate dagli orologi ottici generalmente rendono più facile controllare le influenze ambientali sugli atomi, " disse Tara Fortier, un membro del gruppo di ricerca. "Questo vantaggio potrebbe consentire lo sviluppo di sistemi di clock ottici compatti che mantengono prestazioni relativamente elevate in un'ampia gamma di ambienti applicativi".

Raggiungere la precisione dei record

Per dimostrare che l'ora misurata con un orologio ottico è compatibile con gli attuali orologi atomici al cesio standard, i ricercatori hanno convertito la frequenza di un orologio atomico ottico con itterbio al NIST nella regione delle microonde e l'hanno confrontata con una raccolta di misurazioni di orologi atomici al cesio situati in tutto il mondo.

Hanno ottenuto misurazioni di frequenza dell'orologio ottico all'itterbio con un'incertezza di 2,1 X 10-16. Ciò corrisponde a perdere solo circa 100 secondi nell'età dell'universo (14 miliardi di anni) e stabilisce un nuovo record di precisione per le misurazioni riferite al cesio di un orologio ottico.

Sebbene gli orologi ottici siano molto precisi, tendono a subire tempi di fermo significativi a causa della loro complessità tecnica e del design del prototipo. I ricercatori del NIST hanno utilizzato un gruppo di otto maser a idrogeno per mantenere l'ora quando l'orologio ottico non era operativo. Maser, che sono come laser che operano nella gamma spettrale delle microonde, può tenere il tempo in modo affidabile ma ha una precisione limitata.

"La stabilità dei maser, una delle migliori scale temporali locali al mondo, è uno dei motivi per cui siamo stati in grado di eseguire un confronto così accurato con il cesio, "ha detto Tom Parker, un membro del gruppo di ricerca. Hanno ulteriormente ridotto l'incertezza effettuando 79 misurazioni in 8 mesi. Questa è la prima volta che vengono riportate misurazioni dell'orologio ottico su un periodo di tempo così lungo.

Per comprendere meglio i limiti degli orologi ottici, i ricercatori hanno in programma di confrontare l'orologio ottico all'itterbio utilizzato in questo studio con altri tipi di orologi ottici in fase di sviluppo presso il NIST. Infine, gli orologi NIST potrebbero essere confrontati con gli orologi ottici di altri paesi per determinare quali tipi di orologi sarebbero i migliori per ridefinire il secondo SI.

I ricercatori sottolineano che la ridefinizione della lunghezza di un secondo è ancora lontana qualche anno. Anche se cambia, l'applicazione del nuovo standard richiederebbe una tecnologia che colleghi e trasmetta meglio i segnali dagli orologi ottici di tutto il mondo in modo da mantenere la stabilità e l'accuratezza dell'ora.