Nel cuore della misurazione del tempo si nasconde una sfida affascinante: trovare il "ticchettio" più stabile e affidabile dell'universo. Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) negli Stati Uniti hanno individuato da tempo un candidato quasi perfetto in un singolo ione di alluminio. Il suo "battito" è di una regolarità così straordinaria da superare persino l'atomo di cesio, che attualmente definisce l'unità di misura del secondo.
C'è un però: l'alluminio è un atomo, per così dire, piuttosto "timido" e difficile da gestire e "leggere" direttamente con gli strumenti convenzionali come i laser. Per aggirare questo ostacolo, il team del NIST ha ideato un ingegnoso "sistema di coppia", una tecnica nota come spettroscopia a logica quantistica. Hanno affiancato allo ione di alluminio uno ione di magnesio, molto più collaborativo. Il magnesio agisce come un compagno di lavoro: viene facilmente controllato e raffreddato dai laser e, a sua volta, aiuta a raffreddare l'alluminio e a leggerne le oscillazioni con una precisione senza precedenti.
Questo traguardo, frutto di due decenni di continui perfezionamenti, non è stato semplice da raggiungere. Ogni singolo componente ha richiesto un'attenzione maniacale. Uno dei problemi più ostici era il cosiddetto "micromovimento in eccesso" degli ioni all'interno della trappola che li contiene, minuscoli spostamenti indesiderati che ne compromettevano l'accuratezza.
I ricercatori hanno quindi riprogettato la trappola utilizzando un wafer di diamante più spesso e modificando i rivestimenti in oro per annullare questi disturbi. Un altro fattore critico era la camera a vuoto: quelle tradizionali in acciaio rilasciavano idrogeno, interferendo con i delicati ioni. La soluzione è stata ricostruire la camera in titanio, riducendo la presenza di idrogeno di 150 volte e permettendo all'orologio di funzionare per giorni, anziché solo per pochi minuti.
Il pezzo forte di questo complesso sistema è un laser tra i più stabili al mondo, fornito dal laboratorio del Dr. Jun Ye presso JILA. Per portare la sua stabilità all'orologio all'alluminio, il suo raggio ha viaggiato attraverso un collegamento in fibra ottica lungo ben 3,6 chilometri. Questo ha permesso di ridurre il tempo necessario per le misurazioni da settimane a solo un giorno e mezzo. Il risultato di questo sforzo monumentale è un nuovo record mondiale: un orologio atomico in grado di misurare il tempo con una precisione fino alla diciannovesima cifra decimale, risultando il 41% più accurato e 2,6 volte più stabile del precedente detentore del record.
Una precisione così estrema non è un semplice esercizio di stile, ma apre le porte a scoperte scientifiche e progressi tecnologici. Sarà uno strumento fondamentale per contribuire alla ridefinizione del secondo, per esplorare nuovi concetti della fisica quantistica, per misurare con esattezza la forma geometrica e il campo gravitazionale della Terra (geodesia) e persino per indagare su teorie che vanno oltre il Modello Standard, come la possibilità che le costanti fondamentali dell'universo non siano, in realtà, costanti.
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