Sebbene la tecnologia quantistica si sia dimostrata preziosa per un cronometraggio estremamente preciso, rendere queste tecnologie pratiche per l'uso in una varietà di ambienti è ancora una sfida chiave. In un importante passo verso i dispositivi quantistici portatili, i ricercatori hanno sviluppato una nuova sorgente di atomo freddo compatto e ad alto flusso con un basso consumo energetico che può essere un componente chiave di molte tecnologie quantistiche.

"L'uso di tecnologie quantistiche basate su atomi raffreddati al laser ha già portato allo sviluppo di orologi atomici che vengono utilizzati per il cronometraggio a livello nazionale, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Christopher Foot dell'Università di Oxford nel Regno Unito. "Gli orologi precisi hanno molte applicazioni nella sincronizzazione delle comunicazioni elettroniche e dei sistemi di navigazione come il GPS. Orologi atomici compatti che possono essere distribuiti più ampiamente, anche nello spazio, fornire resilienza nelle reti di comunicazione perché gli orologi locali possono mantenere un cronometraggio accurato anche in caso di interruzione della rete."

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , S. Ravenhall, B. Yuen e Foot descrivono il lavoro svolto a Oxford, Regno Unito per dimostrare un design completamente nuovo per una sorgente di atomi freddi. Il nuovo dispositivo è adatto a un'ampia gamma di tecnologie di atomi di freddo.

"In questo progetto abbiamo preso un design che abbiamo realizzato per scopi di ricerca e lo abbiamo sviluppato in un dispositivo compatto, " ha detto Foot. "Oltre alle applicazioni di cronometraggio, dispositivi compatti ad atomo freddo possono essere utilizzati anche per strumenti per la mappatura gravitazionale, navigazione e comunicazioni inerziali e per studiare i fenomeni fisici nelle applicazioni di ricerca come la materia oscura e le onde gravitazionali."

Atomi di raffreddamento con la luce

Sebbene possa sembrare controintuitivo, la luce laser può essere utilizzata per raffreddare gli atomi a temperature estremamente basse esercitando una forza che rallenta gli atomi. Questo processo può essere utilizzato per creare una sorgente di atomi freddi che genera un raggio di atomi raffreddati al laser diretti verso una regione in cui misurazioni di precisione per il cronometraggio o rilevamento di onde gravitazionali, Per esempio, vengono effettuati.

Il raffreddamento laser di solito richiede una complicata disposizione di specchi per far brillare la luce sugli atomi nel vuoto da tutte le direzioni. Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno creato un design completamente diverso che utilizza solo quattro specchi. Questi specchi sono disposti come una piramide e posizionati in modo tale da consentire loro di scorrere l'uno sull'altro come i petali di un fiore per creare un foro nella parte superiore della piramide attraverso il quale vengono spinti fuori gli atomi freddi. La dimensione di questo foro può essere regolata per ottimizzare il flusso di atomi freddi per varie applicazioni. La disposizione piramidale riflette la luce da un singolo raggio laser in ingresso che entra nella camera a vuoto attraverso un'unica finestra, semplificando così notevolmente l'ottica.

Gli specchi, che si trovano all'interno della regione del vuoto della sorgente dell'atomo freddo, sono stati creati lucidando il metallo e applicando un rivestimento dielettrico. "La possibilità di regolazione di questo design è una caratteristica completamente nuova, " ha detto Piede. "Creare una piramide da quattro blocchi di metallo lucido identici semplifica l'assemblaggio, e può essere utilizzato senza il meccanismo di regolazione."

Migliori misurazioni con più atomi

Per testare il loro nuovo design della sorgente ad atomi freddi, i ricercatori hanno costruito apparecchiature di laboratorio per caratterizzare completamente il flusso di atomi emesso attraverso un foro all'apice della piramide.

"Abbiamo dimostrato un flusso eccezionalmente elevato di atomi di rubidio, " ha detto Foot. "La maggior parte dei dispositivi ad atomo freddo effettua misurazioni che migliorano con il numero di atomi utilizzati. Le sorgenti con un flusso più elevato possono quindi essere utilizzate per migliorare l'accuratezza della misurazione, aumentare il rapporto segnale-rumore o aiutare a ottenere larghezze di banda di misura più grandi."

I ricercatori affermano che la nuova fonte è adatta per l'applicazione commerciale. Poiché presenta un numero ridotto di componenti e poche fasi di assemblaggio, aumentare la produzione per produrre più copie sarebbe semplice.