In un significativo passo avanti verso la futura ridefinizione dell'unità di tempo internazionale, il secondo, un gruppo di ricerca guidato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) ha confrontato tre dei principali orologi atomici del mondo con una precisione record sia su collegamenti aerei che in fibra ottica.

Descritto nel numero del 25 marzo di Natura , il lavoro guidato dal NIST è il primo a confrontare tre orologi, basato su atomi diversi, e il primo a collegare via etere gli orologi atomici più avanzati in diverse località. Questi confronti dell'orologio atomico avvicinano la comunità scientifica al rispetto delle linee guida per la ridefinizione del secondo.

"Questi confronti stanno davvero definendo lo stato dell'arte sia per le misurazioni basate su fibra che nello spazio libero:sono tutti quasi 10 volte più accurati di qualsiasi confronto di clock che utilizza atomi diversi eseguiti finora, "Ha detto il fisico del NIST David Hume.

Le nuove misurazioni sono state impegnative perché i tre tipi di atomi coinvolti "ticchettano" a frequenze molto diverse, perché tutti i numerosi componenti di rete dovevano operare con estrema precisione, e perché il collegamento wireless richiedeva tecnologia e design laser all'avanguardia.

Lo studio ha confrontato l'orologio agli ioni di alluminio e l'orologio a reticolo di itterbio, situati in diversi laboratori del NIST Boulder, con l'orologio a reticolo di stronzio situato a 1,5 chilometri di distanza a JILA, un istituto congiunto del NIST e dell'Università del Colorado Boulder. Le misurazioni del team erano così accurate che le incertezze erano solo da 6 a 8 parti in 10 ¹⁸ -questo è, gli errori non hanno mai superato 0,0000000000000000008, sia per i collegamenti in fibra che per quelli wireless.

I ricercatori del NIST hanno precedentemente descritto come hanno trasferito i segnali temporali sul collegamento aereo tra due degli orologi, gli orologi NIST all'itterbio e JILA allo stronzio, e ha scoperto che il processo ha funzionato così come il metodo a base di fibre e 1, 000 volte più preciso degli schemi di trasferimento wireless convenzionali. Questo lavoro mostra come i migliori orologi atomici potrebbero essere sincronizzati tra siti remoti sulla Terra e, poiché i segnali orari vengono trasferiti su lunghe distanze, anche tra veicoli spaziali.

La chiave del collegamento aereo era l'uso di pettini di frequenza ottici, che consentono confronti accurati di frequenze molto diverse. I ricercatori del NIST hanno sviluppato metodi di trasferimento bidirezionale per confrontare con precisione gli orologi ottici via etere, anche in condizioni di turbolenza atmosferica e vibrazioni di laboratorio. La tecnica di trasferimento del segnale basata su pettine era stata dimostrata in precedenza, ma l'ultimo lavoro è stato il primo a confrontare gli orologi atomici all'avanguardia.

Dal 1967, il secondo è stato definito in base all'atomo di cesio, che ticchetta alla frequenza delle microonde. Gli orologi atomici utilizzati nei nuovi confronti ticchettano a frequenze ottiche molto più elevate, che dividono il tempo in unità più piccole e quindi offrono una maggiore precisione. I confronti sono fondamentali per la selezione da parte della comunità internazionale di uno o più atomi come standard per la prossima volta.

I nuovi risultati NIST riportati in Natura stabilire anche altri importanti record. La frequenza è la singola quantità misurata più accuratamente nella scienza. Il team del NIST ha misurato i rapporti di frequenza, le relazioni quantitative tra le frequenze degli atomi misurate in tre coppie (itterbio-stronzio, itterbio-alluminio, alluminio-stronzio). I risultati sono le tre misurazioni più accurate mai fatte di costanti naturali. I rapporti di frequenza sono considerati costanti e vengono utilizzati in alcuni standard internazionali e test di teorie fisiche fondamentali.

I rapporti di frequenza offrono un importante vantaggio come metrica per valutare gli orologi atomici ottici. Una misurazione diretta di una frequenza di clock ottico nelle consuete unità di Hertz è limitata dall'accuratezza dell'attuale standard internazionale, l'orologio a microonde al cesio. I rapporti di frequenza superano questa limitazione perché non sono espressi in alcuna unità.

I rapporti di frequenza sono generalmente misurati su lunghe distanze mediante l'uso di reti in fibra, che sono pochi e lontani tra loro, o in alcuni casi con dati a microonde trasferiti su collegamenti satellitari, che tendono ad essere instabili.

Le linee guida per la ridefinizione del secondo raccomandano la dimostrazione e la verifica di più misurazioni del rapporto di frequenza con incertezze che si avvicinano alle migliori prestazioni dell'orologio ottico. Tutti e tre i tipi di clock nel nuovo studio offrono ora prestazioni superlative e promettono ulteriori miglioramenti. orologi all'itterbio del NIST, Per esempio, rappresentano la frequenza naturale degli atomi (un valore noto come incertezza sistematica) entro un possibile errore di appena 1,4 parti in 10 ¹⁸ —circa un miliardesimo di miliardesimo.

Le nuove misurazioni del rapporto di frequenza del NIST, durante la registrazione, non sono ancora così buoni. Ma il team di ricerca sta lavorando per migliorare la stabilità della misurazione e le prestazioni dell'orologio, disse Hume.

Al di là del loro ruolo nella prossima generazione di standard internazionali, gli orologi atomici ottici possono essere usati come sonde sensibili per la nuova fisica, come la "materia oscura" che si ritiene costituisca la maggior parte delle cose nell'universo. Le applicazioni tecnologiche per gli orologi ottici includono sistemi di temporizzazione e navigazione migliorati e la misurazione della forma gravitazionale terrestre (geodesia).