Illustrazione di un atomo (Canva FOTO) - sciencecue.it
Questa ricerca è estremamente importante in quanto, ora il tempo risulta essere più preciso. E questo grazie all’alluminio!
Misurare il tempo con una precisione assoluta è uno dei sogni ricorrenti della fisica moderna. E proprio in questi giorni, al National Institute of Standards and Technology (NIST), come riportato dalla ricerca pubblicata da Physical Review Letters, è stato raggiunto un nuovo record mondiale: un orologio atomico capace di spingersi fino a ben 19 cifre decimali di accuratezza. Si tratta di un dispositivo basato su un singolo ione di alluminio intrappolato, frutto di oltre vent’anni di sviluppo continuo.
Un orologio di questo tipo non si giudica solo in base a quanto “tiene bene il tempo”, ma anche per la sua stabilità: quanto è efficiente nel misurarlo. E la nuova versione dell’orologio NIST non solo è la più accurata del pianeta, superando del 41% il precedente primato, ma è anche 2,6 volte più stabile di qualsiasi altro orologio a ioni finora realizzato. Tutto questo grazie a una serie di miglioramenti mirati, dal laser al sistema di vuoto.
Per ottenere risultati simili, ogni dettaglio va perfezionato. Ogni componente, anche il più piccolo, contribuisce alla precisione finale. Dall’ambiente in cui sono intrappolati gli ioni, al modo in cui vengono raffreddati, fino alla progettazione dei rivestimenti delle superfici metalliche.
Ma perché proprio l’alluminio? Perché tra tutti gli elementi utilizzabili, l’alluminio-ione offre un “ticchettio” molto stabile, meno sensibile alle variazioni di temperatura e campi magnetici. Tuttavia, c’è un piccolo problema: è difficile da controllare con i laser. La soluzione? Affiancarlo a un ione di magnesio, molto più collaborativo.
L’idea alla base del funzionamento è nota come quantum logic spectroscopy. In parole povere, si fa lavorare in coppia un ione di alluminio e uno di magnesio. L’alluminio “batte il tempo”, ma è il magnesio che lo aiuta a raffreddarsi e a comunicare il proprio stato. Un vero gioco di squadra: il magnesio segue ogni movimento del suo compagno e permette ai ricercatori di leggere cosa accade, senza disturbare il delicato equilibrio del sistema.
Ma non tutto era perfetto. La trappola che teneva fermi gli ioni aveva un piccolo difetto: un leggero movimento indesiderato, chiamato micromovimento in eccesso, che disturbava la frequenza dell’orologio. Per risolvere il problema, gli scienziati hanno riprogettato la struttura, usando una base in diamante più spesso e modificando i rivestimenti in oro degli elettrodi, in modo da ridurre gli sbilanciamenti del campo elettrico. Anche il sistema di vuoto è stato completamente rifatto: l’acciaio è stato sostituito con titanio, che rilascia meno idrogeno, migliorando così la durata e l’efficienza della misura.
Per arrivare a un livello così spinto di precisione, serviva anche un laser eccezionalmente stabile. Il problema era che, nella versione del 2019, bisognava far funzionare il sistema per settimane per compensare le fluttuazioni quantistiche. Così, il team ha chiesto l’aiuto del laboratorio di Jun Ye a JILA, che dispone di uno dei laser più stabili al mondo. Tramite un collegamento in fibra ottica lungo 3,6 chilometri, il segnale del laser è stato trasferito fino al laboratorio NIST, dove è stato utilizzato per sincronizzare l’orologio all’alluminio.
Il risultato? È stato possibile osservare il “ticchettio” dell’orologio per un secondo intero, invece dei 150 millisecondi precedenti. Questo ha ridotto i tempi di mediazione da tre settimane a un giorno e mezzo. Ma non è solo una questione di tempo risparmiato: questa nuova generazione di orologi potrebbe presto contribuire alla ridefinizione del secondo, rendendolo ancora più preciso di quanto il cesio abbia mai permesso.