Un nuovo "orologio" meccanico è stato creato da un team internazionale di ricercatori, guidato da scienziati dell'Università di St Andrews, che potrebbe mettere alla prova la fisica fondamentale della gravità.

L'oscillatore meccanico levitato, creato all'interno di una sfera di vetro delle dimensioni di una singola cellula del sangue, è stato manipolato dalla luce dal team per creare un sensore ultrasensibile in grado di misurare le variazioni di temperatura e pressione su scala nanometrica.

Questo orologio altamente accurato potrebbe potenzialmente rilevare la gravità su scale più piccole rispetto a quanto precedentemente possibile e trovare potenziali prove di deviazioni dalle leggi di gravità di Newton che richiedono una nuova fisica oltre ciò che attualmente comprendiamo.

La ricerca, sostenuto dal Consiglio di ricerca per l'ingegneria e le scienze fisiche del Regno Unito e dalla Fondazione scientifica ceca, è pubblicato in Progressi scientifici .

La risonanza è un fenomeno che ci circonda:si verifica quando un oggetto vibra o "oscilla" alla stessa velocità naturale di un secondo oggetto adiacente, questo costringe quel secondo oggetto a vibrare se stesso, spesso mostrando grande movimento.

Per creare strumenti musicali sonori, usiamo la risonanza tra l'aria e il corpo dello strumento. La risonanza spiega anche il suono del mare che si sente quando una conchiglia viene posizionata all'orecchio.

In fisica questo può essere utilizzato con grande efficacia con risonatori delle dimensioni di cellule o addirittura atomi. subiscono moto periodico, simile a un orologio che ticchetta, e possono guidarsi a vicenda. Questo porta a modi per effettuare misurazioni con una precisione senza precedenti.

Per esempio, salti interni periodici di energia (vibrazioni) negli atomi possono essere collegati a orologi esterni:questi sono il fulcro della realizzazione dei Global Positioning Systems (GPS) per il cronometraggio ultrapreciso. Per quanto tempo questo movimento periodico può essere mantenuto è determinato dal valore "Q". Un risonatore con un fattore Q elevato suona o vibra più a lungo consentendo misurazioni più accurate.

Ora i ricercatori dell'Università di St Andrews in Scozia, l'Istituto di strumenti scientifici dell'Accademia ceca delle scienze nella Repubblica ceca, La Chiba University in Giappone e la Yonsei University in Corea hanno visto un movimento periodico ultra preciso in una minuscola sfera di vetro, le dimensioni di un globulo sanguigno, tenuto nel vuoto dalla luce.

L'esecuzione dello studio nel vuoto ha aiutato a evitare l'attrito che avrebbe smorzato il movimento e a ridurre il valore Q. Il team ha manipolato la luce per far muovere la piccola sfera avanti e indietro e ruotare in perfetta armonia, creando un "orologio" molto ben definito.

Il moto della sfera ha raggiunto un valore Q di oltre 100 milioni, oltre 100 volte superiore rispetto ai risultati riportati in precedenza per tali sistemi. Questo movimento è molto sensibile a qualsiasi influenza esterna e il team mira a usarlo per rilevare minuscoli disturbi ambientali, come variazioni di temperatura e pressione, e persino testare la fisica fondamentale.

Dott. Yoshi Arita, della Scuola di Fisica e Astronomia dell'Università di St Andrews, e del Centro di ricerca sulla chiralità molecolare dell'Università di Chiba, ha detto:"Purtroppo anche le collisioni delle molecole di gas sparse attorno alla particella possono introdurre errori nel ticchettio del nostro orologio (movimento della microsfera) che possono limitarne la precisione.

"Abbiamo corretto questi errori prendendo un segnale laser periodico per guidare o "spingere" la microsfera:un po' come un bambino su un'altalena che prende a calci le gambe esattamente al momento giusto con l'altalena per farla compiere enormi oscillazioni:questo ha reso il movimento della nostra sfera molto stabile. Se questo fosse davvero un orologio, sarebbe così preciso che avrebbe perso solo mezzo milionesimo di secondo in un giorno intero".

Dottor Stephen Simpson, un fisico teorico presso l'Istituto di strumenti scientifici dell'Accademia ceca delle scienze, ha detto:"Su una scala di lunghezza microscopica, il moto di una particella è di natura casuale a causa delle fluttuazioni di energia, ma è sorprendente vedere che la natura ha anche escogitato uno schema per estrarre da questa minuscola macchina un utile lavoro di movimento diretto."

Professor Kishan Dholakia, della Scuola di Fisica e Astronomia presso l'Università di St Andrews e professore associato presso le Università di Chiba e Yonsei, ha dichiarato:"Il team ha svolto un lavoro davvero eccezionale che riteniamo risuonerà con la comunità internazionale. Oltre agli emozionanti aspetti fondamentali della fisica, la qualità dei nostri oscillatori stabilisce un nuovo punto di riferimento in questo campo. Miriamo a esplorarli per sviluppare la prossima generazione di dispositivi di rilevamento squisiti".

Il documento "Oscillazioni coerenti di una microsfera birifrangente levitata nel vuoto guidata da un accoppiamento rotazione-traslazione non conservativa" di Y Arita, S H Simpson, P Zemanek, e K Dholakia è pubblicato in Progressi scientifici .