I fisici e i collaboratori di JILA hanno dimostrato la prima "scala temporale" di nuova generazione, un sistema che incorpora i dati di più orologi atomici per produrre un singolo segnale di cronometraggio altamente accurato per la distribuzione. La scala temporale JILA supera i migliori hub esistenti per la diffusione dell'ora ufficiale in tutto il mondo e offre la possibilità di fornire un'ora più precisa a milioni di clienti come i mercati finanziari e le reti di computer e telefoni.

La nuova architettura su scala temporale combina un super-affidabile, orologio atomico avanzato con un dispositivo ultrastabile per la memorizzazione di segnali orari ed è un "progetto per l'aggiornamento delle scale temporali in tutto il mondo, "come descritto nel giornale Lettere di revisione fisica .

JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

"Penso che questa nuova dimostrazione su scala temporale sarà molto importante per la ridefinizione del tempo in futuro, " ha detto Jun Ye, Socio NIST/JILA e capo progetto.

La recente ridefinizione del Sistema Internazionale di Unità (SI) non ha aggiornato il modo in cui viene misurato il tempo. L'unità di tempo standard, il secondo, si basa sulle proprietà dell'atomo di cesio dal 1967. Nei prossimi anni, la comunità scientifica internazionale dovrebbe ridefinire il secondo, selezionando un nuovo atomo come base per gli orologi atomici standard e il cronometraggio ufficiale.

Per prepararsi a questo cambiamento, i ricercatori hanno bisogno di aggiornare i sistemi per distribuire il tempo.

Il NIST gestisce le scale temporali civili della nazione, array di maser a idrogeno - versioni a microonde di laser - che forniscono segnali oscillanti affidabili per mantenere un "ticchettio" stabile per l'ora ufficiale del giorno civile degli Stati Uniti, che è legato al tempo internazionale (tempo universale coordinato o UTC). Due orologi atomici basati sullo standard al cesio, chiamato NIST-F1 e NIST-F2, sono utilizzati per calibrare e garantire l'accuratezza delle scale temporali.

Come gli orologi atomici di nuova generazione, La scala temporale sperimentale di JILA opera interamente a frequenze ottiche, che sono molto più alte delle frequenze delle microonde degli standard temporali del cesio. Le frequenze ottiche dividono il tempo in unità più piccole e quindi possono offrire una maggiore precisione.

Gli sforzi per incorporare gli ultimi orologi atomici ottici nelle vecchie scale temporali a microonde hanno incontrato limiti alla stabilità a lungo termine, a causa delle proprietà intrinseche dei maser e delle fluttuazioni associate al loro collegamento a orologi sperimentali che funzionano in modo intermittente.

Il team di JILA ha risolto questi problemi ottimizzando un tipo di oscillatore più stabile e controllando strettamente le condizioni operative come la temperatura in modo che il loro orologio a reticolo di stronzio altamente stabile e preciso possa funzionare regolarmente su richiesta.

L'oscillatore è formato da un raggio laser puntato in una cavità cava costituita da un singolo cristallo di silicio, all'interno della quale luce laser di un colore specifico, o frequenza, rimbalza avanti e indietro regolarmente per lungo tempo, come un metronomo. Questi dispositivi esistono da anni, ma una collaborazione a lungo termine JILA con Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), l'istituto nazionale tedesco di metrologia, ha inventato un nuovo modo di costruirli, migliorando notevolmente la stabilità della luce. Recentemente, il team JILA ha ulteriormente potenziato la stabilità a lungo termine della loro cavità, che è lungo 21 centimetri e funziona a temperature criogeniche di 124 K (meno 149,15 C), utilizzando un'ottica superlucidata e un migliore controllo del calore, tra le altre modifiche.

Nella scala temporale JILA, un pettine di frequenza ottico (un righello per la luce) trasferisce il segnale ottico stabile da questa cavità all'altra, laser molto stabile che viene puntato sugli atomi dell'orologio e sincronizza la frequenza della luce con il loro ticchettio. Due laser aggiuntivi sono stabilizzati in cavità indipendenti. I laser multipli e le cavità forniscono ridondanza in caso di malfunzionamento di qualcosa.

La stabilità dell'oscillatore è stata confrontata continuamente con quella della scala temporale a microonde del NIST da un collegamento in fibra ottica sotterraneo preesistente tra JILA, nel campus dell'università, e NIST, un miglio o giù di lì. Oltre un mese di misurazioni, la stabilità di frequenza dell'oscillatore ottico ha costantemente superato quella dei maser nella scala temporale delle microonde.

I risultati sperimentali mostrano che l'architettura della scala temporale JILA supera le scale temporali delle microonde, anche quando i maser sono calibrati da orologi atomici di nuova generazione. L'analisi del team indica che eseguendo l'orologio ottico JILA il 50% delle volte, la scala temporale completamente ottica potrebbe raggiungere un livello di stabilità circa 10 volte migliore della scala temporale standard a microonde, o 1 × 10 ^-17 , dopo alcuni mesi di media.

Un ulteriore vantaggio pratico è che la frequenza dell'oscillatore può essere prevista utilizzando tecniche di analisi a microonde convenzionali, consentendo al team di stimare un errore di temporizzazione di soli 48 ± 94 picosecondi (trilionesimi di secondo) dopo 34 giorni di funzionamento.

Sono previsti ulteriori aggiornamenti tecnici, compresa l'automazione che dovrebbe consentire all'orologio di funzionare per più del 50% del tempo. I ricercatori prevedono inoltre di incorporare il segnale ottico della scala temporale nella scala temporale del NIST utilizzando la rete in fibra sotterranea.