Gli atomi superradianti possono aiutarci a misurare il tempo in modo più preciso che mai. In un recente studio, i ricercatori dell'Università di Copenaghen presentano un nuovo metodo per misurare l'intervallo di tempo, il secondo, mitigando alcune delle limitazioni che incontrano gli orologi atomici più avanzati di oggi. Il risultato potrebbe avere ampie implicazioni in settori quali i viaggi spaziali, le eruzioni vulcaniche e i sistemi GPS.
La seconda è l'unità di misura definita con maggiore precisione, rispetto ad altre unità di base come il chilogrammo, il metro e il grado Kelvin. Il tempo è attualmente misurato da orologi atomici in diversi luoghi del mondo, che insieme ci dicono che ore sono. Utilizzando le onde radio, gli orologi atomici inviano continuamente segnali che sincronizzano i nostri computer, telefoni e orologi da polso.
Le oscillazioni sono la chiave per tenere il tempo. In un orologio a pendolo, queste oscillazioni derivano dall'oscillazione del pendolo da un lato all'altro ogni secondo, mentre in un orologio atomico è un raggio laser che corrisponde a una transizione energetica nello stronzio e oscilla circa un milione di miliardi di volte al secondo.
Ma secondo il dottorato di ricerca. collega Eliot Bohr del Niels Bohr Institute, pronipote di Niels Bohr, anche gli orologi atomici potrebbero diventare più precisi. Questo perché il laser di rilevamento, utilizzato dalla maggior parte degli orologi atomici moderni per leggere l'oscillazione degli atomi, riscalda gli atomi così tanto da farli scappare, il che riduce la precisione.
"Poiché gli atomi hanno costantemente bisogno di essere sostituiti con nuovi atomi freschi, mentre nuovi atomi vengono preparati, l'orologio perde leggermente tempo. Pertanto, stiamo tentando di superare alcune delle attuali sfide e limitazioni dei migliori orologi atomici del mondo attraverso , tra le altre cose, riutilizzando gli atomi in modo che non debbano essere sostituiti così spesso," spiega Bohr che lavorava presso l'Istituto Niels Bohr quando fece la ricerca, ma che ora è Ph.D. ricercatore presso l'Università del Colorado.
È l'autore principale di un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Communications , che utilizza un modo innovativo e forse più efficiente di misurare il tempo.
L’attuale metodologia consiste in un forno caldo che sputa circa 300 milioni di atomi di stronzio in una sfera straordinariamente fredda di atomi freddi nota come trappola magneto-ottica, o MOT. La temperatura di questi atomi è di circa -273°C, molto vicina allo zero assoluto, e ci sono due specchi con un campo luminoso tra loro per migliorare le interazioni atomiche. Insieme ai suoi colleghi ricercatori, Bohr ha sviluppato un nuovo metodo per leggere gli atomi.
"Quando gli atomi atterrano nella camera a vuoto, giacciono completamente immobili perché fa così freddo, il che rende possibile registrare le loro oscillazioni con i due specchi alle estremità opposte della camera", spiega Bohr.
Il motivo per cui i ricercatori non hanno bisogno di riscaldare gli atomi con un laser e distruggerli è grazie a un fenomeno fisico quantistico noto come “superradianza”. Il fenomeno si verifica quando il gruppo di atomi di stronzio è impigliato e allo stesso tempo emette luce nel campo tra i due specchi.
"Gli specchi fanno sì che gli atomi si comportino come una singola unità. Collettivamente, emettono un potente segnale luminoso che possiamo usare per leggere lo stato atomico, un passaggio cruciale per misurare il tempo. Questo metodo riscalda minimamente gli atomi, quindi tutto avviene senza sostituire gli atomi, e questo ha il potenziale per renderlo un metodo di misurazione più preciso," spiega Bohr.
GPS, missioni spaziali ed eruzioni vulcaniche
Secondo Bohr, i nuovi risultati della ricerca potrebbero essere utili per lo sviluppo di un sistema GPS più accurato. In effetti, i circa 30 satelliti che orbitano costantemente intorno alla Terra e ci dicono dove siamo hanno bisogno di orologi atomici per misurare il tempo.
"Ogni volta che i satelliti determinano la posizione del tuo telefono o del GPS, stai utilizzando un orologio atomico in un satellite. La precisione degli orologi atomici è così importante che se l'orologio atomico è sbagliato di un microsecondo, significa un'imprecisione di circa 100 metri sulla superficie terrestre", spiega Bohr.
Le future missioni spaziali sono un'altra area in cui il ricercatore prevede che orologi atomici più precisi avranno un impatto significativo.
"Quando le persone e le imbarcazioni vengono inviate nello spazio, si avventurano ancora più lontano dai nostri satelliti. Di conseguenza, i requisiti per misurazioni precise del tempo per navigare nello spazio sono molto maggiori", afferma.
Il risultato potrebbe anche essere utile per lo sviluppo di una nuova generazione di orologi atomici portatili più piccoli che potrebbero essere utilizzati non solo per misurare il tempo.
"Gli orologi atomici sono sensibili ai cambiamenti gravitazionali e possono quindi essere utilizzati per rilevare cambiamenti nella massa e nella gravità della Terra, e questo potrebbe aiutarci a prevedere quando si verificheranno eruzioni vulcaniche e terremoti", afferma Bohr.
Bohr sottolinea che, sebbene il nuovo metodo che utilizza atomi superradianti sia molto promettente, si tratta ancora di una "prova di concetto" che necessita di ulteriore perfezionamento.
La ricerca è stata condotta dal team di Jörg Helge Müller e Jan Thomsen presso l'Istituto Niels Bohr, in collaborazione con il Ph.D. gli studenti Sofus Laguna Kristensen e Julian Robinson-Tait e il postdoc Stefan Alaric Schäffer. Al progetto hanno contribuito anche i teorici Helmut Ritsch e Christoph Hotter dell'Università di Innsbruck, nonché Tanya Zelevinsky della Columbia University. Questo lavoro sottolinea l'importanza della collaborazione internazionale nelle scienze.
Ulteriori informazioni: Eliot A. Bohr et al, Lettura Ramsey migliorata collettivamente mediante transizione della cavità da sub-a superradiante, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45420-x
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Copenaghen
