Gli orologi atomici si preparano per la Terra e anche per lo spazio
Al centro di un qualsiasi orologio vi è un fenomeno oscillatorio che si verifica a intervalli altamente regolari, sia che si tratti di un pendolo oscillante o delle oscillazioni generate dall’elettricità di un cristallo di quarzo. Tuttavia, nonostante la loro ingegnosa progettazione, gli orologi meccanici ed elettromeccanici sono sensibili ai cambiamenti di temperatura e sono soggetti all’invecchiamento. Inoltre, il costante bisogno di una sempre maggiore precisione nella misurazione del tempo ha richiesto oscillatori con frequenze più alte. Gli orologi atomici ottici utilizzano la frequenza delle transizioni degli elettroni da un’orbitale atomico a un altro. Tali frequenze sono ottiche e altissime in confronto alle convenzionali frequenze delle microonde. Questo approccio rappresenta un passo in avanti rivoluzionario nel campo degli standard del tempo, reso possibile dai progressi compiuti nel campo della tecnologia laser e dell’ottica quantistica. Gli orologi atomici ottici prenderanno il posto degli affermati orologi atomici basati sul cesio, che “ticchettano” alla frequenza delle microonde. Negli orologi atomici ottici dotati di struttura a reticolo, gli atomi freddi vengono attratti in un’onda laser sotto forma di onda stazionaria, il cosiddetto reticolo ottico. Qui vengono confinati simultaneamente migliaia di atomi. Sintonizzando la luce laser con struttura a reticolo su una particolare lunghezza d’onda “magica”, è possibile ridurre al minimo il suo effetto sulle transizioni degli elettroni. Di conseguenza, gli orologi atomici ottici sono capaci di livelli di precisione e stabilità senza precedenti. Grazie al finanziamento dell’UE del progetto SOC2 (Towards neutral-atom space optical clocks: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems), un team di ricercatori ha sviluppato i componenti e sottosistemi fondamentali necessari per orologi ottici con struttura a reticolo e atomi neutri ultra precisi adatti per il trasporto e infine per l’utilizzo nello spazio. I ricercatori hanno lavorato con atomi di itterbio (Yb) e stronzio (Sr). Gli scienziati di SOC2 hanno sviluppato i sottosistemi laser necessari integrandoli con i sottosistemi atomici per Sr e Yb in sistemi di orologi completi. Un risultato è il primo orologio atomico ottico con struttura a reticolo completamente modulare. Per questo sistema basato su Sr sono stati realizzati sottosistemi compatti e robusti per la stabilizzazione della frequenza laser basati su cavità ottiche, un rallentatore atomico a magneti permanenti e una camera atomica estremamente compatta. Inoltre, un forno compatto e a basso consumo di energia fornisce gli atomi alla camera. Il sistema produce regolarmente atomi di Sr ultrafreddi a temperature dell’ordine dei microkelvin in un reticolo ottico. Le proprietà dell’orologio, come ad esempio i cambiamenti sistematici della frequenza di transizione e l’instabilità, sono state caratterizzate per l’isotopo bosonico 88Sr, ottenendo risultati molto buoni, inclusa un’instabilità della frequenza dell’ordine infinitesimale di 1x10-16. Per l’orologio basato su Yb, gli scienziati hanno sviluppato laser a diodi a cavità esterna attraverso l’utilizzo di filtri di interferenza a banda stretta che garantiscono una maggiore stabilità rispetto ai laser stabilizzati con reticolo comunemente utilizzati. Il sistema è diventato del tutto funzionante. Esso ha funzionato automaticamente e stabilmente per svariate ore di utilizzo continuo. Una preliminare caratterizzazione metrologica è avvenuta all’Università di Düsseldorf. Esso è stato successivamente trasportato mediante un furgone dall’Università di Düsseldorf all’Istituto italiano di metrologia (INRiM) a Torino, messo nuovamente in funzione, e quindi riportato in Germania. Gli orologi atomici ottici di SOC2 rappresentano dei dimostratori simili a pannelli per esperimenti per gli orologi del futuro da utilizzare in esperimenti nello spazio, in particolare per un test più preciso su un aspetto fondamentale della teoria della relatività generale di Einstein, ovvero la dilatazione del tempo nel campo gravitazionale. Un orologio spaziale sarebbe anche utile per fornire delle frequenze ultra stabili da una parte all’altra del mondo e per rendere possibile la geodesia relativistica, un nuovo approccio per misurare il potenziale gravitazionale della Terra. Una missione dell’ESA con questi obiettivi è in preparazione e gli scienziati di SOC2 sono dei partecipanti fondamentali in essa.
Parole chiave
Orologi atomici, orologi ottici, laser a semiconduttore, atomi freddi, tecnologia quantistica, SOC2, spazio, fisica fondamentale, geodesia