I fisici JILA hanno dimostrato un nuovo design dell'orologio atomico che combina un funzionamento quasi continuo con segnali forti e un'elevata stabilità, caratteristiche che prima non si trovavano insieme in un singolo tipo di orologio atomico di prossima generazione. Il nuovo orologio, che utilizza "pinzette" laser per intrappolare, controllare e isolare gli atomi, offre anche possibilità uniche per migliorare le prestazioni dell'orologio usando i trucchi della fisica quantistica.

Descritto in un articolo che sarà pubblicato online il 12 settembre dalla rivista Scienza , la nuova piattaforma di clock è un array di fino a 10 atomi di stronzio confinati individualmente da 10 pinzette ottiche, che sono creati da un raggio laser infrarosso puntato attraverso un microscopio e deviato in 10 punti.

JILA è un istituto congiunto di ricerca e formazione gestito dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

Mentre i ricercatori JILA devono ancora valutare completamente le prestazioni del nuovo orologio, i dati preliminari suggeriscono che il design è promettente. L'orologio a pinzetta è "in servizio" autoverificando le sue prestazioni il 96% delle volte perché ha bisogno di pochi tempi di inattività per preparare nuovi atomi, e gli atomi sono ben isolati, quindi è meno probabile che interferiscano l'uno con l'altro. Entrambi questi punti di forza sono condivisi con uno degli orologi leader nel mondo, un orologio basato su un singolo ione (atomo caricato elettricamente). L'orologio a pinzetta può anche fornire i segnali forti e la stabilità di un orologio reticolare multi-atomo, che intrappola gli atomi in una griglia di luce laser.

"La promessa a lungo termine del design della pinzetta come orologio competitivo è radicata nel suo bilanciamento unico di queste capacità, "Ha detto il fisico JILA/NIST e leader del progetto Adam Kaufman.

Gli orologi atomici di nuova generazione stabilizzano il colore, o frequenza, di un laser agli atomi che "ticchettano" tra due livelli di energia. L'orologio a pinzetta intrappola e controlla gli atomi individualmente per mantenere la stabilità del ticchettio e rileva questo comportamento senza perderli, e quindi può riutilizzare gli stessi atomi molte volte senza bisogno di ricaricarne costantemente di nuovi.

"Il design delle pinzette risolve vari problemi con altri orologi atomici, " ha detto Kaufman. "Utilizzando la nostra tecnica, possiamo trattenere gli atomi e riutilizzarli fino a 16 secondi, che migliora il ciclo di lavoro, la frazione di tempo speso usando il ticchettio degli atomi per correggere la frequenza del laser e la precisione. L'orologio a pinzetta può anche portare un singolo atomo molto rapidamente in un sito di trappola, il che significa che ci sono meno interferenze e si ottiene un segnale più stabile per un tempo più lungo."

I ricercatori del NIST e della JILA costruiscono da molti anni orologi atomici di nuova generazione. Questi orologi funzionano a frequenze ottiche, che sono molto più alti degli attuali standard temporali basati sulle frequenze delle microonde. La ricerca sta aiutando a preparare la futura ridefinizione internazionale del secondo, che si basa sull'atomo di cesio dal 1967. Gli orologi ottici hanno anche applicazioni oltre il cronometraggio, come misurare la forma della Terra in base alle misurazioni della gravità (chiamata geodesia), cercando la sfuggente materia oscura che si pensava costituisse la maggior parte della materia nell'universo, e migliorare le scienze dell'informazione quantistica.

Per creare l'orologio della pinzetta, un raggio laser a infrarossi viene puntato in un microscopio e focalizzato su un piccolo punto. Le onde radio a 10 frequenze diverse vengono applicate in sequenza a uno speciale deflettore per creare 10 punti di luce per intrappolare i singoli atomi. Le trappole vengono riempite ogni pochi secondi da una nuvola di atomi preraffreddati sovrapposti alla luce della pinzetta.

Gli atomi trattenuti dalle pinzette sono eccitati da un laser stabilizzato da una cavità di cristallo di silicio, in cui la luce rimbalza avanti e indietro a una frequenza specifica. Questa luce "laser orologio" - fornita dal coautore e dal laboratorio di Jun Ye Fellow NIST / JILA - viene applicata perpendicolarmente alla luce delle pinzette, insieme a un campo magnetico applicato. L'imaging non distruttivo rivela se gli atomi stanno ticchettando correttamente; gli atomi emettono solo luce, o fluorescente, quando si trova nello stato a bassa energia.

Troppi atomi nel sistema possono portare a collisioni che destabilizzano l'orologio, quindi per sbarazzarsi di atomi extra, i ricercatori applicano un impulso di luce per creare molecole debolmente legate, che poi si rompono e sfuggono alla trappola. I siti delle pinzette vengono lasciati con un atomo o vuoti; con ogni esecuzione dell'esperimento, ogni pinzetta ha circa il 50% di possibilità di essere vuota o di contenere un singolo atomo. Avere al massimo un atomo per sito mantiene il ticchettio stabile per periodi di tempo più lunghi.

Come normali pinzette di metallo, le pinzette laser offrono un controllo preciso, che consente ai ricercatori di variare la spaziatura tra gli atomi e di modificare le loro proprietà quantistiche. Kaufman ha già usato pinzette ottiche per "impigliare" due atomi, un fenomeno quantistico che lega le loro proprietà anche a distanza. Le pinzette sono usate per eccitare gli atomi in modo che i loro elettroni siano più debolmente legati al nucleo. Questo stato "soffice" rende più facile intrappolare gli atomi in stati magnetici interni opposti chiamati spin up e spin down. Quindi un processo chiamato scambio di spin coinvolge gli atomi. Stati quantistici speciali come l'entanglement possono migliorare la sensibilità di misurazione e quindi aumentare la precisione dell'orologio.

Il team di ricerca ora prevede di costruire un orologio più grande e valutarne formalmente le prestazioni. Nello specifico, i ricercatori prevedono di utilizzare più pinzette e atomi, con un target di circa 150 atomi. Kaufman prevede anche di aggiungere entanglement, che potrebbe migliorare la sensibilità e le prestazioni dell'orologio e, in una domanda separata, forse fornire una nuova piattaforma per il calcolo e la simulazione quantistica.