Gli orologi atomici sono usati in tutto il mondo per indicare con precisione l'ora. Ogni "tic" dell'orologio dipende dalle vibrazioni atomiche e dai loro effetti sui campi elettromagnetici circostanti. Gli orologi atomici standard in uso oggi, basato sull'atomo di cesio, dire l'ora "contando" le frequenze radio. Questi orologi possono misurare il tempo con una precisione di un secondo ogni centinaia di milioni di anni. Gli orologi atomici più recenti che misurano le frequenze ottiche della luce sono ancora più precisi, e possono eventualmente sostituire quelli basati su radio.

Ora, ricercatori del Caltech e del Jet Propulsion Laboratory (JPL), che è gestito da Caltech per la NASA, hanno ideato un nuovo design per un orologio atomico ottico che promette di essere il più accurato e preciso di sempre (l'accuratezza si riferisce alla capacità dell'orologio di fissare correttamente l'ora, e la precisione si riferisce alla sua capacità di leggere l'ora nei minimi dettagli). Soprannominato "l'orologio a pinzette, " impiega una tecnologia in cui vengono utilizzate le cosiddette pinzette laser per manipolare singoli atomi.

"Uno degli obiettivi dei fisici è essere in grado di leggere l'ora nel modo più preciso possibile, "dice Manuel Endres, un assistente professore di fisica al Caltech che ha condotto un nuovo articolo che descrive i risultati sulla rivista Revisione fisica X . Endres spiega che mentre gli orologi ultra precisi potrebbero non essere necessari per gli scopi quotidiani del conteggio del tempo, potrebbero portare a progressi nella ricerca fisica fondamentale e a nuove tecnologie che devono ancora essere immaginate.

Il nuovo design dell'orologio si basa su due tipi di orologi atomici ottici già in uso. Il primo tipo si basa su un singolo atomo carico intrappolato, o ione, mentre il secondo utilizza migliaia di atomi neutri intrappolati in quello che viene chiamato reticolo ottico. Nell'approccio degli ioni intrappolati, solo un atomo (lo ione) deve essere isolato e controllato con precisione, e questo migliora la precisione dell'orologio. D'altra parte, l'approccio del reticolo ottico trae vantaggio dall'avere più atomi:con più atomi ci sono meno incertezze che sorgono a causa delle fluttuazioni quantistiche casuali dei singoli atomi.

Il design dell'orologio atomico del gruppo di Endres combina essenzialmente i vantaggi dei due design, raccogliendo i frutti di entrambi. Invece di usare un insieme di molti atomi, come nel caso dell'approccio del reticolo ottico, il nuovo design utilizza 40 atomi e questi atomi sono controllati con precisione con pinzette laser. A questo proposito, il nuovo design trae vantaggio non solo dall'avere più atomi, ma anche dal permettere ai ricercatori di controllare quegli atomi.

"Questo approccio collega due rami della fisica:tecniche di controllo del singolo atomo e misurazione di precisione, "dice Ivaylo Madjarov, uno studente laureato al Caltech e autore principale del nuovo studio. "Stiamo sperimentando una nuova piattaforma per gli orologi atomici".

Madjarov spiega che, generalmente, gli atomi negli orologi atomici agiscono come diapason per aiutare a stabilizzare le frequenze elettromagnetiche, o luce laser. "Le oscillazioni della nostra luce laser agiscono come un pendolo che conta il passare del tempo. Gli atomi sono un riferimento molto affidabile che fa in modo che il pendolo oscilli a una velocità costante".

Il team afferma che il nuovo sistema è ideale per la ricerca futura sulle tecnologie quantistiche. Gli atomi in questi sistemi possono diventare entangled, o connesso a livello globale, e questo stato entangled può stabilizzare ulteriormente l'orologio. "Il nostro approccio può anche costruire un ponte verso il calcolo quantistico e le architetture di comunicazione, " dice Endres. "Fondendo diverse tecniche in fisica, siamo entrati in una nuova frontiera".

Il Revisione fisica X il documento è intitolato, "Un orologio ottico a matrice atomica con lettura a singolo atomo".