I ricercatori hanno determinato sperimentalmente una proprietà del cadmio chiamata lunghezza d'onda magica, considerata essenziale per lo sviluppo degli orologi più precisi mai immaginati. I ricercatori sperano che ciò possa consentire orologi atomici semplici e robusti così precisi da poter essere utilizzati per migliorare la nostra comprensione delle teorie attuali e persino per testare la nuova fisica.

A che ora lo fai? Che ne dici di adesso? Il tempo cambia continuamente, ma non cambia continuamente. Sembra confuso, ma dai tempi di Einstein sappiamo che il tempo progredisce a velocità diverse a seconda di dove ti trovi. Ciò è dovuto principalmente all'effetto della gravità, più forte è la gravità nelle tue vicinanze, più lentamente il tempo progredisce rispetto al punto in cui la gravità è più debole. Per noi questa differenza è impercettibile, ma orologi atomici altamente accurati possono misurarlo.

Tuttavia, queste impercettibili differenze nella velocità del passare del tempo sono tutt'altro che banali. Misurazioni accurate del tempo possono effettivamente aiutare i ricercatori a misurare altre quantità corrispondenti che si riferiscono a come il tempo scorre in un luogo specifico. Ad esempio, dato il modo in cui l'aumento della forza gravitazionale altera il passare del tempo, la densità del materiale sotto i piedi potrebbe essere misurata con precisione con un orologio sufficientemente preciso. E questo tipo di informazioni potrebbe essere utile a chi studia i vulcani, tettonica delle placche e terremoti.

Però, misurare il tempo con la precisione richiesta per tali scopi è una sfida estremamente complessa. Orologi atomici all'avanguardia basati sulla vibrazione di atomi come cesio, Per esempio, operare con un'incertezza, l'opposto della precisione, nella regione di 1 x 10 ^-16 o a 16 cifre decimali. Questo è estremamente accurato per la misurazione della distanza, ed è quindi utilizzato nell'attuale tecnologia del sistema di posizionamento globale (GPS). Ma i ricercatori si sforzano di ottenere una precisione ancora maggiore, e un tipo di orologio può essere in grado di offrire incertezze a partire da 1 x 10 ^-19 o a 19 cifre decimali. L'orologio a reticolo ottico promette di offrire tale precisione.

Proposta per la prima volta dal Professor Hidetoshi Katori del Dipartimento di Fisica Applicata nel 2001, l'idea è di intrappolare un gran numero di atomi in un reticolo di laser. Con molti atomi intrappolati, le loro vibrazioni possono essere misurate simultaneamente, che migliora notevolmente la precisione della misurazione del tempo. Gli isotopi del cadmio sono ideali in quanto hanno alcune proprietà che aiutano a ridurre il rumore in questo tipo di sistema quantistico. Ma per creare un orologio basato su questo principio ci sono diversi ostacoli da superare, e i ricercatori ne hanno appena saltato uno.

"Abbiamo determinato sperimentalmente la cosiddetta 'lunghezza d'onda magica' per il cadmio, che è uno dei parametri essenziali per far funzionare l'orologio del reticolo ottico, " ha affermato il ricercatore Atsushi Yamaguchi di RIKEN. "In un orologio a reticolo il reticolo ottico è creato da schemi di interferenza della luce laser, la cui lunghezza d'onda è correlata agli atomi che il reticolo deve contenere. La lunghezza d'onda ottimale o "magica" per costruire un reticolo attorno agli isotopi di cadmio è di circa 419,88 nanometri, che è quasi esattamente il valore di 420,10 nanometri che avevamo previsto originariamente".

Una caratteristica importante degli isotopi di cadmio che li rende ideali per gli orologi reticolari è che sono più resistenti ai cambiamenti nel loro ambiente rispetto a molti altri atomi e isotopi. Un'applicazione a cui mirano i ricercatori è la capacità di effettuare misurazioni in luoghi diversi con lo stesso dispositivo, il che significa che deve essere relativamente portatile, quindi aiuta ad essere robusti. Con la teoria in atto, i ricercatori ora desiderano valutare le prestazioni di un tale orologio.

"È necessaria una valutazione attenta e dettagliata in modo che gli scienziati in diversi campi possano utilizzare questo strumento di alta precisione, " ha spiegato Katori. "Un tale dispositivo ci darà la possibilità di studiare e forse un giorno sfidare idee consolidate in cosmologia come la relatività generale e forse anche le costanti fondamentali della natura".