Riassunto:
I ricercatori del Quantum Technology Center dell'Università Nazionale di Singapore hanno recentemente annunciato un importante progresso nel campo degli orologi atomici. Hanno utilizzato l'elemento delle terre rare lutezio per creare un nuovo tipo di orologio atomico ottico e, attraverso un confronto preciso tra due orologi atomici dello stesso tipo, l'incertezza del sistema è stata ridotta a 1,2×10⁻¹⁹. Il gruppo di ricerca ritiene che questo risultato renda l'orologio atomico al lutezio uno dei dispositivi di cronometraggio più accurati attualmente disponibili e si prevede che diventi una tecnologia candidata per ridefinire in futuro il "secondo" nel Sistema internazionale di unità.
Questo studio arriva mentre la comunità metrologica globale sta valutando se la definizione di base di "secondo" debba essere ridefinita. Un secondo nell'attuale Sistema Internazionale di Unità è definito in base alla frequenza di transizione tra i due livelli di energia iperfine dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133, che è 9192631770 transizioni specifiche delle microonde. Il cesio è stato il materiale principale degli orologi atomici sin dagli anni '60, ma con il rapido sviluppo della tecnologia dell'orologio atomico ottico, la prossima generazione di orologi atomici realizzati utilizzando elementi come stronzio, itterbio e calcio è stata in grado di raggiungere una precisione molto più elevata rispetto ai tradizionali orologi atomici al cesio.
Il principio di base degli orologi atomici ottici è utilizzare i laser per controllare con precisione gli elettroni negli atomi, provocando la transizione degli elettroni tra due stati quantistici e misurare i tempi misurando la frequenza di questa transizione. La transizione quantistica degli elettroni può essere intesa come un "pendolo" estremamente stabile. Finché questa oscillazione può essere controllata e misurata con sufficiente precisione, è possibile ottenere una base temporale eccezionalmente precisa.
Il lutezio interessa i ricercatori perché l'elemento ha alcune proprietà che lo rendono ideale per la costruzione di orologi atomici ad alta precisione. Il lutezio è un elemento lantanide con una grande massa atomica e la sua struttura elettronica lo rende relativamente meno influenzato dai fattori ambientali. In particolare, non è sensibile alle radiazioni termiche e ai cambiamenti del campo magnetico, quindi può ridurre gli errori sistematici causati da fattori ambientali nel processo di temporizzazione.
I ricercatori hanno affermato che questa caratteristica dell'orologio atomico al lutezio significa che anche se la temperatura ambiente cambia in modo significativo o le condizioni del campo magnetico cambiano, l'orologio atomico può comunque mantenere prestazioni di temporizzazione relativamente stabili. Murray Barrett, leader del gruppo di ricerca e fisico dell’Università Nazionale di Singapore, ha addirittura affermato che se questo orologio atomico viene portato da un ambiente a temperatura estremamente elevata come la Valle della Morte negli Stati Uniti a un ambiente a temperatura estremamente bassa come l’altopiano antartico, può comunque mantenere una stabilità molto elevata.
Il lutezio ha anche un vantaggio molto importante, ovvero che la sua frequenza di transizione atomica associata è molto elevata, circa 10.000 volte la frequenza utilizzata dagli orologi atomici al cesio. Una frequenza "tick" più elevata significa che è possibile ottenere più cicli di misurazione per unità di tempo, fornendo così la base per una misurazione del tempo di altissima precisione.
Tuttavia, il lutezio è anche uno degli elementi delle terre rare più rari sulla Terra ed è anche un elemento relativamente poco studiato. Ciò significa che, sebbene in teoria sia adatto come materiale per un orologio atomico, gli scienziati non hanno compreso appieno come si comportano effettivamente gli atomi di lutezio in un ambiente di cronometraggio ad alta precisione.
Il team di Murray Barrett lavora sugli orologi atomici al lutezio da circa 10 anni. Nell'ultimo esperimento, i ricercatori hanno costruito due orologi atomici a ioni di lutezio e li hanno confrontati tra loro secondo rigorosi standard metrologici. Attraverso anni di dati sperimentali accumulati e ricerche approfondite sulle caratteristiche degli stessi ioni lutezio, il team ha finalmente ridotto l'incertezza del sistema a 1,2×10⁻¹⁹.
Questo numero rappresenta la scala di errore sistematico che un orologio atomico può avere quando misura la propria frequenza. Per capire quanto è elevata questa precisione, considerala come una piccola frazione dell'incertezza per 10¹⁹ unità di tempo. In precedenza, quest’anno i ricercatori dell’Accademia cinese delle scienze avevano utilizzato orologi atomici a ioni di calcio per ottenere un’incertezza del sistema di 4,4×10⁻¹⁹, quindi il 1,2×10⁻¹⁹ annunciato dal team di Singapore ha ulteriormente aggiornato questo indicatore.
Tuttavia, anche misurare la precisione degli orologi atomici è un compito estremamente difficile. Dopo aver raggiunto questo livello, anche le differenze nella gravità propria della Terra non possono più essere ignorate. Secondo la relatività generale, quanto più forte è la forza di gravità, tanto più lento scorre il tempo. A questo livello di precisione, anche una differenza di altezza di pochi millimetri tra due orologi atomici potrebbe produrre una differenza temporale abbastanza grande da influenzare i risultati sperimentali a causa delle loro diverse distanze dal nucleo terrestre.
In altre parole, quando gli scienziati tagliano un secondo in trilioni o più di intervalli di tempo estremamente piccoli, le differenze gravitazionali estremamente deboli tra diverse posizioni sulla superficie terrestre possono diventare variabili importanti nell'esperimento. Pertanto, il laboratorio dell'orologio atomico non deve solo controllare condizioni come temperatura, campo magnetico, laser, ecc., ma deve anche misurare con estrema precisione la posizione e l'altezza dei due orologi.
E questa incredibile sensibilità è proprio uno dei valori scientifici più importanti della prossima generazione di orologi atomici. Poiché il tempo è influenzato dai campi gravitazionali, se gli orologi atomici sono sufficientemente precisi, gli scienziati possono misurare anche differenze estremamente piccole di gravità confrontando i cambiamenti del tempo in luoghi diversi. Questa capacità potrebbe essere utilizzata in futuro per misurazioni di precisione della Terra, come lo studio delle strutture sotterranee, dei cambiamenti geologici e dei sottili cambiamenti nel campo gravitazionale della Terra.
Ancora più importante, gli orologi atomici ad altissima precisione possono essere utilizzati anche nella ricerca fisica di base. Gli scienziati sperano di utilizzare questi dispositivi per cercare contraddizioni irrisolte tra la relatività generale e la meccanica quantistica e per esplorare nuova fisica oltre il Modello Standard. Ad esempio, se alcuni parametri ritenuti costanti fondamentali in natura in realtà cambiano leggermente nel tempo o nell’ambiente, allora un orologio atomico sufficientemente preciso potrebbe essere in grado di catturare questa anomalia.
Allo stesso tempo, i nuovi orologi atomici ottici stanno anche promuovendo cambiamenti nel sistema metrologico internazionale. Poiché diversi orologi atomici come lo stronzio, l'itterbio, gli ioni di alluminio, gli ioni di calcio e il lutezio continuano a stabilire record di precisione, la comunità scientifica internazionale sta studiando se l'attuale definizione di "secondo" basata sulla transizione delle microonde degli atomi di cesio debba in futuro essere sostituita da standard di frequenza ottica.
Rispetto ai tradizionali orologi atomici al cesio, la frequenza operativa degli orologi atomici ottici è di diversi ordini di grandezza superiore, quindi in teoria può fornire un riferimento temporale più preciso. Se in futuro la comunità metrologica internazionale deciderà di ridefinire il “secondo”, questi orologi atomici ottici diventeranno importanti tecnologie candidate.
Il team di Singapore ritiene che l'orologio atomico al lutezio abbia un potenziale particolare perché non solo può raggiungere una precisione estremamente elevata, ma è anche relativamente meno sensibile ai cambiamenti nell'ambiente esterno, il che significa che è possibile creare in futuro un sistema di cronometraggio ad alta precisione più stabile e pratico.
Naturalmente, 1,2×10⁻¹⁹ è ancora l'incertezza del sistema ottenuta in condizioni di laboratorio e non significa che questo orologio atomico possa mantenere esattamente le stesse prestazioni in qualsiasi ambiente. I ricercatori devono inoltre condurre più misurazioni e validazioni incrociate in condizioni diverse per confermare ulteriormente questo record e continuare a ridurre possibili errori sistematici.
Il gruppo di ricerca ritiene che, man mano che l'esperimento continua, ci sia spazio per ulteriori miglioramenti nella precisione dell'orologio atomico al lutezio. Il caposquadra Murray Barrett ritiene addirittura che, a giudicare dall'attuale percorso tecnico, sarà difficile trovare una soluzione che possa facilmente superare questa architettura in futuro.
Questa ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature. Se successivi esperimenti riusciranno a verificare ulteriormente le prestazioni dell’orologio atomico al lutezio, esso potrebbe non solo diventare un candidato importante per la prossima generazione di parametri temporali globali, ma potrebbe anche diventare un nuovo strumento per studiare la gravità, la materia oscura e le leggi fisiche fondamentali. In altre parole, questo dispositivo che sembra semplicemente “tenere il tempo in modo più accurato” sta in realtà spingendo la capacità dell’umanità di misurare le leggi fondamentali dell’universo su una scala senza precedenti.
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