Da vent’anni un gruppo di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), negli Stati Uniti, lavora a un progetto che oggi entra nei libri di storia della scienza: la costruzione dell’orologio più accurato mai esistito. Si tratta di un orologio atomico ottico basato su un singolo ione di alluminio intrappolato, capace di mantenere il tempo con un margine di errore talmente ridotto che servirebbe un periodo superiore all’età dell’universo perché possa guadagnare o perdere un solo secondo.
Per capire la portata del risultato bisogna distinguere due concetti chiave: l’accuratezza, ossia quanto vicino l’orologio si avvicina al “vero” tempo, e la stabilità, cioè la costanza con cui lo misura. Questo nuovo orologio ottico raggiunge una incertezza di frequenza frazionaria pari a 5,5 × 10⁻¹⁹ e una stabilità di 3,5 × 10⁻¹⁶ /√τ secondi, migliorando di oltre due volte le prestazioni dei precedenti orologi a ioni.
Questo incredibile sistema si basa su un singolo ione di alluminio ²⁷Al⁺, affiancato da uno ione di magnesio ²⁵Mg⁺ che funge da “partner di supporto”. L’alluminio è ideale per scandire il tempo perché i suoi “tic” atomici sono poco influenzati da campi magnetici o variazioni di temperatura, ma è difficile da manipolare con i laser. Qui entra in gioco il magnesio, più facile da raffreddare e controllare, che consente di leggere indirettamente lo stato dell’alluminio e di mantenerlo stabile.
Una delle innovazioni principali è stata l’estensione della durata della sonda Rabi a un secondo, resa possibile grazie a un laser stabilizzato in laboratorio e trasmesso via fibra ottica per 3,6 chilometri. Questo ha ridotto l’instabilità di un fattore tre. Parallelamente, la trappola per gli ioni è stata ridisegnata per minimizzare i micromovimenti indesiderati, utilizzando un wafer di diamante più spesso e un nuovo bilanciamento dei rivestimenti in oro degli elettrodi.
Anche il sistema di contenimento è stato rivoluzionato: la camera a vuoto, ora in titanio, ha ridotto di 150 volte la presenza di idrogeno residuo, permettendo al dispositivo di funzionare per giorni interi senza dover ricaricare gli ioni. Inoltre, i ricercatori hanno misurato in modo direzionale il campo magnetico alternato generato dalla trappola radiofrequenza, eliminando un’importante fonte di incertezza.
Grazie a queste soluzioni, il nuovo orologio raggiunge una precisione a 19 cifre decimali in circa un giorno e mezzo di misurazioni. Vi basti pensare che in passato servivano tre settimane. Ora l'obiettivo è ampliare il numero di ioni utilizzati o addirittura intrecciarli in stati quantistici entangled, aprendo a una nuova generazione di strumenti ancora più sofisticati.
Un orologio con questa precisione potrebbe contribuire alla ridefinizione ufficiale del secondo, migliorare la nostra comprensione della gravità terrestre, raffinare i modelli geologici e persino testare i fondamenti della fisica, verificando se le costanti naturali restano davvero immutabili nel tempo.
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