Un nuovo modello di orologio atomico per ridefinire il secondo

Una nuova definizione di secondo potrebbe essere vicina grazie alla messa a punto di un nuovo tipo di orologio atomico da un gruppo di ricercatori del Laboratorio nazionale di metrologia (LNE-SYRTE) dell’Osservatorio di Parigi, che lo descrivono in un articolo pubblicato su “Nature Communications”.

Nel sistema internazionale delle unità di misura, il secondo è definito dalla frequenza della luce emessa da un atomo di cesio quando subisce una specifica transizione fra due stati energetici. Gli attuali orologi atomici usati come standard di riferimento si basano sulle cosiddette fontane atomiche.

La “fontana” è costituita da un getto di atomi di cesio generato da un fascio laser che colpisce un gas di cesio. L’emissione degli atomi viene sondata con un fascio di microonde una prima volta durante la fase di salita provocata dall’impulso laser e una seconda volta mentre gli atomi ricadono per gravità. Questa tecnica permette di ottenere una precisione di circa tre parti in dieci quadrilioni (cioè 3 per 10 alla -16): ciò significa che l’errore dell’orologio non supererà un secondo in più di 100 milioni di anni.

Alcuni orologi atomici sperimentali più recenti, che controllano le emissioni di singoli atomi ionizzati intrappolati in un campo elettromagnetico, hanno prestazioni ancora migliori di un’ordine di grandezza.

Nel nuovo studio, Jérôme Lodewyck e colleghi presentano un tipo di orologio atomico ancora più avanzato che, se ancora non ha battuto la precisione degli orologi a ioni intrappolati, promette di poterlo fare a breve, arrivando a scandire gli attosecondi (ossia 10 alla -18 secondi). Come negli orologi a ioni ioni intrappolati, infatti, i nuovi orologi, che sfruttano atomi di stronzio invece che di cesio, misurano la frequenza della luce visibile, che è decine di migliaia di volte superiore a quella delle microonde, ma rispetto a essi hanno il vantaggio di misurare la frequenza media delle emissioni di diverse migliaia di atomi intrappolati in un reticolo ottico – da cui il loro nome OLC (optical lattice clock) – invece che di uno solo, rendendo migliori e più “stabili” le statistiche di misurazione.

Nello studio appena pubblicato, Lodewyck e colleghi hanno dimostrato che i loro orologi allo stronzio tengono il passo con tutti e tre gli orologi al cesio di cui è dotato l’Osservatorio di Parigi, con una precisione dettata solo dal limite proprio degli stessi orologi al cesio. Inoltre hanno dimostrato che due orologi OLC battono il tempo a una velocità sempre perfettamente identica fra loro, un’altra caratteristica essenziale per poter aspirare a diventare standard di riferimento.