I ricercatori dello statunitense NIST hanno realizzato un orologio atomico basato su un reticolo tridimensionale cubico di atomi di stronzio mantenuti a bassissima temperatura. Si tratta di un notevole progresso rispetto alle architetture lineari usate finora e garantisce prestazioni eccezionali in termini di precisione nella misurazione del tempo
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Una precisione mai raggiunta finora – 3,5 parti su 10 miliardi di miliardi – è di per sé un risultato eccezionale. Se poi si aggiunge che è stata ottenuta con un’architettura innovativa, si può comprendere la portata del risultato ottenuto da ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) illustrato su “Science”. Si tratta di un orologio atomico realizzato con un insieme di atomi di stronzio impacchettati in un reticolo tridimensionale e dalla densità 1000 volte maggiore rispetto a quella di precedenti realizzazioni dello stesso tipo che usavano un’architettura lineare.

Ogni orologio per funzionare ha bisogno di fare affidamento su una “base di tempo”: il periodo di oscillazione di un pendolo, di un oscillatore o di un cristallo di quarzo. In modo del tutto analogo, gli orologi atomici si basano sulla frequenza di specifiche transizioni dei livelli energetici di un atomo.

Ultimamente, alcuni gruppi di ricerca hanno sfruttato come base del tempo schiere di atomi, in genere di itterbio o stronzio, in modo da poter fare la media su diverse misurazioni della frequenza e migliorare la precisione e la stabilità dell’orologio atomico. I ricercatori del NIST hanno ora usato un “gas quantistico” cioè un insieme di atomi raffreddati fino a poche frazioni infinitesime di grado sopra lo zero assoluto. In queste condizioni, gli effetti quantistici diventano preponderanti, e gli atomi, bloccati in posizioni fisse per l’assenza quasi assoluta di vibrazioni termiche, iniziano a comportarsi come un’unica entità.

Con gli atomi così disposti, gli autori hanno ottenuto un elevatissimo “fattore di qualità”, un parametro che riflette il livello di sincronizzazione tra gli atomi e i fasci laser usati per “interrogarli”: i “battiti” degli atomi sono così risultati eccezionalmente stabili, a tutto vantaggio della precisione dell’orologio.

Il prototipo ha dimostrato di poter mantenere stabili per circa 10 secondi i battiti di 10.000 atomi di stronzio, impacchettati con una densità di 10.000 miliardi di atomi per centimetro quadrato. E per il futuro gli autori contano di arrivare a tempi di funzionamento di 100 secondi alla volta.

“Questo nuovo orologio ad atomi di stronzio in forma di gas quantistico è un primo e notevole successo nel campo delle applicazioni pratiche della ‘nuova rivoluzione quantistica’, ha commentato Thomas O’Brian, che guida la divisione di fisica quantistica del NIST. “Questo approccio è assai promettente per un’ampia gamma di misurazioni e di nuove tecnologie che fanno affidamento sulla misurazione estremamente precisa del tempo.”