L'orologio atomico ottico portatile fa il suo debutto commerciale: Physics World

Gli atomi sono i cronometri più precisi del mondo, tanto che il secondo è definito esattamente come 9 192 631 770 cicli di un orologio atomico basato sul cesio. Le versioni disponibili in commercio di questi orologi atomicamente precisi sono alla base del GPS, della navigazione, del trasferimento dati e dei mercati finanziari, e funzionano alle frequenze delle microonde, o miliardi di tic-tac al secondo. Dopo un giorno, il loro cronometraggio è sbagliato di meno di dieci nanosecondi.

Per quanto valida sia, però, la prossima generazione di orologi atomici sarà ancora più precisa. Queste costruzioni di laboratorio funzionano a frequenze ottiche, il che significa che ticchettano decine di trilioni di volte al secondo. I migliori possono rimanere precisi fino a 10 femtosecondi (10 ^{all'15 ottobre} s) dopo un giorno, oppure entro un secondo dopo 50 miliardi di anni. E presto, per la prima volta, potrai acquistarne uno tutto tuo: Vector Atomic, una start-up con sede in California, negli Stati Uniti, ha messo il primo orologio ottico portatile sul mercato.

"Oggi gli unici orologi che si possono acquistare sono quelli a microonde", afferma Jonathan Hoffmann, responsabile del programma presso la DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency) degli Stati Uniti, che ha finanziato il lavoro. “Se si passa alla transizione ottica, si ottiene un enorme guadagno in termini di precisione, accuratezza e prestazioni, ma allo stesso tempo in genere comporta anche un'incredibile complessità. Trovare un felice compromesso è la vera battaglia”.

Trovare gli atomi giusti

La principale differenza tra gli orologi ottici e i loro predecessori a microonde sono i laser. Per costruire gli orologi più precisi possibili, gli scienziati utilizzano gli atomi che offrono le transizioni atomiche più strette – solitamente stronzio o itterbio – e progettano i loro sistemi laser in base ai requisiti particolari di quegli atomi. Gli atomi sono tenuti in camere a vuoto e diversi laser vengono utilizzati per raffreddarli e intrappolarli, mentre altri laser bloccano le transizioni indesiderate o interrogano quella desiderata utilizzata nell'orologio. Tutti questi laser, fino a una dozzina in totale, devono essere stabilizzati su frequenze precise e la loro manutenzione richiede una supervisione costante.

Per costruire una versione meno precisa, ma più robusta e portatile, di un orologio ottico, CEO e co-fondatore di Vector Atomic Jamil Abo-Shaeer dovevo adottare un approccio diverso. "Invece di progettare il sistema attorno all'atomo, abbiamo progettato il sistema attorno ai laser", afferma.

I laser più resistenti e collaudati esistenti, spiega Abo-Shaeer, sono quelli utilizzati nelle telecomunicazioni e nella lavorazione industriale. Grazie ad anni (o addirittura decenni) di ricerca e sviluppo commerciale, sono estremamente compatti e stabili, e lui e il suo team hanno scelto una specie atomica adatta a loro: lo iodio molecolare. Questa molecola presenta comode transizioni vicino a un laser a infrarossi a frequenza raddoppiata comunemente utilizzato nella lavorazione. Il team ha anche optato per una semplice configurazione con cella a vapore che evita di raffreddare gli atomi a temperature gelide o di confinarli in un vuoto ultraelevato.

Il risultato è stato un orologio ottico chiavi in ​​mano, che il team chiama Evergreen, con un volume di soli 30 litri – più o meno le dimensioni di un giradischi. Sebbene la precisione dei tempi di Evergreen sia lontana dallo stato dell'arte di laboratorio, è 100 volte più precisa degli orologi a microonde esistenti di dimensioni comparabili. Eguaglia anche le prestazioni degli orologi basati su maser a idrogeno, dispositivi delle dimensioni di frigoriferi estremamente sensibili al rumore ambientale.

Prove in mare

Nell'estate del 2022, un prototipo di Evergreen ha trascorso tre settimane a bordo di una nave in mare per i test. Durante questo periodo l'orologio ha funzionato senza alcun intervento. Al ritorno, il team ha testato le prestazioni dell'orologio e ha scoperto che non si era deteriorato in modo significativo, nonostante le turbolenze e gli sbalzi di temperatura a bordo della nave. "Quando è successo, ho pensato che tutti avrebbero dovuto alzarsi in piedi e gridare dai tetti", dice Hoffman. “Voglio dire, le persone lavorano su questi orologi ottici da decenni. E questa è stata la prima volta che un orologio ottico funzionava da solo, senza interferenze umane, nel mondo reale”.

Secondo Abo-Shaeer, le dimensioni e la stabilità di Evergreen aprono la strada a un'adozione diffusa di tali orologi nella navigazione, soprattutto quando i segnali GPS vengono bloccati o falsificati; nei data center e nei protocolli di telecomunicazione; e per sincronizzare i segnali provenienti da rilevatori remoti per scopi scientifici. Attualmente, il GPS ha una precisione di circa tre metri, ma una tempistica più precisa sui satelliti potrebbe ridurla a pochi centimetri o meno, consentendo ai veicoli autonomi di rimanere nelle loro corsie o ai droni per le consegne di atterrare su un balcone. Essere in grado di suddividere il tempo in parti più piccole dovrebbe anche consentire comunicazioni con larghezza di banda più elevata, aggiunge Abo-Shaeer.

L'orologio reticolare ottico portatile misura l'elevazione

Resta da vedere se questo particolare orologio sarà quello che alimenterà la prossima generazione di GPS e un trasferimento dati più veloce. Ma il progresso tecnologico è comunque significativo, dice Elisabetta Donley, capo della divisione tempo e frequenza del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti a Boulder, in Colorado. "Ci sono potenzialmente molti altri tipi di orologi ottici che potrebbero arrivare sul mercato nel corso dei prossimi dieci anni", afferma Donley, che non è stato coinvolto nel lavoro di Vector Atomic. "Il cuore di questa cosa è una cella di vapore di iodio, ma l'infrastruttura può essere utilizzata anche per altri tipi di orologi."

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/