Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

La corsa al tic perfetto

Immaginate il tempo come un fiume. Per secoli, ne abbiamo misurato il flusso usando un zatterone semplice, affidabile ma leggermente traballante: l'orologio atomico basato su segnali a microonde (come quelli del vostro GPS). Questi orologi sono buoni, ma hanno un limite alla loro costanza. Recentemente, gli scienziati hanno costruito orologi "ottici" che utilizzano la luce invece delle microonde. Questi nuovi orologi sono come barche da corsa ad alta velocità; sono incredibilmente veloci e precisi, con un ticchettio centinaia di migliaia di volte più frequente rispetto ai vecchi modelli. Tuttavia, c'è un problema. Per mantenere una scala temporale perfetta (come l'ora ufficiale per tutto il mondo), serve un "volano": un motore costante che mantenga la barca in movimento in modo fluido anche quando il timone (l'orologio ultra-preciso) si ferma per ricaricarsi o calibrarsi.

Attualmente, i migliori volani che abbiamo sono ancora le vecchie zattere a microonde (i maser a idrogeno). Sono robusti, ma oscillano troppo nel breve termine. Ciò significa che, anche se possedete un orologio ottico super-preciso, non potete sfruttarne appieno la potenza perché il vecchio volano trascina l'intero sistema verso il basso, creando un "pavimento di rumore" che nasconde la vera perfezione dell'orologio. La grande domanda nel mondo della misurazione del tempo è: possiamo costruire un nuovo tipo di volano fatto di pura luce? Se ci riuscissimo, potremmo creare una scala temporale che sia stabile quanto i migliori orologi ottici, portando potenzialmente alla ridefinizione del secondo stesso. Questa è la sfida che i ricercatori di questo articolo si sono posti.

La macchina del tempo interamente ottica

In questo studio, un team di scienziati di JILA, NIST e Vector Atomic ha deciso di smetere di usare i vecchi e traballanti volani a microonde e ha tentato qualcosa di radicale: ha costruito tre diverse scale temporali che funzionano interamente sulla luce. Invece di fare affidamento sui maser a idrogeno per mantenere il tempo tra un controllo e l'altro, hanno utilizzato tre diversi "volani ottici": due cavità di silicio super-fredde (immaginate dei riflessi di silicio raffreddati vicino allo zero assoluto per evitare che vibrino) e un orologio ottico all'iodio commerciale.

Per mantenere questi motori basati sulla luce sulla rotta corretta, il team ha utilizzato un orologio ottico a reticolo di stronzio altamente affidabile come "timone". Questo orologio maestro controllava la velocità dei tre volani e apportava piccoli aggiustamenti per mantenerli in sincronia. Il team ha condotto questo esperimento per oltre 20 giorni, osservando quanto bene queste tre scale temporali interamente ottiche si confrontassero tra loro.

I risultati sono stati un passo avanti enorme. Quando le tre scale temporali sono state confrontate, sono rimaste incredibilmente vicine tra loro. Dopo appena pochi giorni di media, la loro instabilità relativa è scesa sotto $10^{-16}$, un livello di precisione che richiederebbe settimane a un sistema tradizionale basato su maser. Ancora più impressionante, la differenza temporale totale tra le tre scale durante l'intero periodo di 20 giorni è stata inferiore a 100 picosecondi (ovvero 0,0000000001 secondi). Per dare un'idea, se steste guardando un film, questo errore sarebbe così piccolo che non notereste nemmeno la mancanza di un singolo fotogramma.

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter convertire questi segnali basati sulla luce in segnali radio (quelli usati dalla nostra attuale elettronica) senza perdere accuratezza. Hanno scoperto che il processo di trasformazione della luce in onde radio aggiungeva meno di 2 picosecondi di errore, dimostrando che questo nuovo sistema è pronto a dialogare con la nostra tecnologia esistente.

Tuttavia, l'articolo nota con cautela che questo non è un bacchetta magica che risolve tutto dalla sera alla mattina. Il sistema dipende ancora dalla disponibilità dell'orologio a stronzio per effettuare la guida. Quando l'orologio maestro faceva una pausa (cosa accaduta per circa 6 ore alla volta), le scale temporali tendevano a divergere leggermente, accumulando circa 20 picosecondi di differenza per ogni intervallo. Ma anche con queste pause, le prestazioni sono state molto superiori a quanto possibile con la tecnologia attuale. Gli autori suggeriscono che, man mano che i volani ottici diventeranno più affidabili e gli orologi maestri funzioneranno per periodi più lunghi, queste scale temporali interamente ottiche potrebbero diventare lo standard futuro per misurare il tempo, sostituendo interamente i vecchi sistemi basati sulle microonde.

In breve, l'articolo dimostra che è possibile costruire una scala temporale che viva interamente nel mondo della luce, offrendo un livello di stabilità che i vecchi metodi a microonde semplicemente non possono eguagliare. È una prova di concetto che il futuro della misurazione del tempo potrebbe brillare molto più intensamente di quanto pensassimo.