Absolute frequency measurement of the $^{40}$Ca$^{+}$ clock transition using a GNSS link to the SI second

Il tempo, nel senso più fondamentale, viene misurato contando i ticchettii costanti e ritmici di un atomo. Per decenni, i secondi ufficiali del mondo sono stati definiti dalle vibrazioni degli atomi di cesio, uno standard che ha servito bene l'umanità. Tuttavia, gli scienziati cercano da tempo un modo più preciso per misurare il tempo, che si basi su atomi che vibrano a velocità molto più elevate, utilizzando la luce invece delle microonde. Questi orologi atomici ottici sono così sensibili da poter rilevare i minimi cambiamenti della gravità o del passaggio del tempo stesso. Per essere utili, questi orologi devono essere confrontati con il tempo ufficiale mantenuto dai laboratori nazionali, ma farlo richiede un ponte che possa trasportare il segnale attraverso centinaia di chilometri senza perderne la precisione.

In uno studio recente, dei ricercatori di Innsbruck, in Austria, hanno costruito proprio un tale ponte per misurare la frequenza esatta di un orologio specifico basato su un singolo ione di calcio. Hanno collegato il loro laboratorio al centro primario per la misurazione del tempo a Braunschweig, in Germania, utilizzando una rete di satelliti di navigazione. Facendo ciò, hanno determinato la frequenza assoluta della transizione dell'orologio al calcio con un livello di precisione che non era mai stato raggiunto prima per questa specifica configurazione. Il loro lavoro fornisce non solo un nuovo numero altamente accurato per la velocità con cui questo orologio ticchetta, ma corregge anche una discrepanza di lungo corso nel record scientifico e affina la nostra comprensione di come i campi magnetici interagiscano con l'atomo.

L'esperimento si è concentrato su un singolo ione di calcio, un atomo che ha perso un elettrone, intrappolato in una camera a vuoto da forze elettriche e magnetiche invisibili. Questo ione funge da pendolo dell'orologio. Per farlo ticchettare, i ricercatori proiettano un raggio laser di un colore molto specifico, rosso intenso, sull'atomo. Quando la frequenza del laser corrisponde alla vibrazione naturale dello ione, l'atomo assorbe l'energia e passa a uno stato energetico superiore. I ricercatori cercano l'istante esatto in cui ciò accade, che avviene a una frequenza di 411.042.129.776.401,2 hertz. Questo numero rappresenta il numero di volte che l'atomo vibra ogni secondo. Per misurarlo con tale estrema precisione, hanno dovuto garantire che nessun fattore esterno, come campi magnetici parassiti o il calore dell'ambiente circostante, spingesse il numero leggermente fuori rotta.

Per collegare il loro orologio locale allo standard internazionale, il team ha stabilito un collegamento con il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) a Braunschweig, l'istituto nazionale tedesco di metrologia che aiuta a definire il Tempo Universale Coordinato. Hanno utilizzato un maser a idrogeno passivo, un dispositivo che genera un segnale molto stabile, come riferimento locale. Questo segnale è stato poi confrontato con il tempo mantenuto dai satelliti del Global Navigation Satellite System. Analizzando il tempo impiegato dai segnali per viaggiare tra il loro laboratorio, i satelliti e il laboratorio tedesco, sono riusciti a calcolare la differenza precisa tra il loro orologio locale e il tempo ufficiale internazionale. Questo metodo, noto come Precise Point Positioning, ha permesso loro di trasferire lo standard temporale su una distanza di diverse centinaia di chilometri con un errore minimo.

La campagna di misurazione è durata dieci giorni nel giugno 2021. Durante questo periodo, i ricercatori hanno sondato lo ione sei volte, utilizzando impostazioni magnetiche leggermente diverse per ogni sonda. Questa strategia intelligente ha permesso di annullare diverse fonti di errore che solitamente affliggono tali misurazioni, inclusi gli spostamenti causati dal campo magnetico terrestre e dai campi elettrici all'interno della trappola. Tuttavia, hanno scoperto che un effetto sottile causato dalle correnti a radiofrequenza utilizzate per trattenere lo ione stava ancora influenzando i risultati. Queste correnti creano un campo magnetico oscillante infinitesimale che sposta i livelli energetici dell'atomo in un modo che non era stato pienamente considerato nelle misurazioni precedenti. Misurando attentamente questo effetto, il team è stato in grado di correggere i propri dati e anche di calcolare un nuovo valore più accurato per una proprietà fondamentale dell'atomo di calcio nota come fattore g di Landé, che descrive come l'atomo risponde ai campi magnetici.

Il risultato finale del loro lavoro è una misurazione della frequenza di transizione dell'orologio al calcio con un'incertezza frazionaria di 1,5 volte 10 alla potenza meno 15. Per mettere in prospettiva questo livello di precisione, se questo orologio avesse iniziato a ticchettare all'inizio dell'universo, oggi sarebbe sfasato di meno di un secondo. Questo risultato pone la loro misurazione in accordo con gli studi più recenti di altri laboratori in Cina e Israele, ma contraddice le misurazioni precedenti dal 2009 al 2012. I ricercatori ritengono che i risultati precedenti fossero meno accurati perché non tenevano pienamente conto dei campi magnetici oscillanti generati dalla trappola stessa. Includendo questo fattore, la nuova misurazione risolve il disaccordo e fornisce uno standard più affidabile per la misurazione del tempo futura.

Oltre al numero specifico, lo studio dimostra la potenza dell'uso di collegamenti satellitari per confrontare gli orologi più avanzati al mondo. Sebbene i cavi a fibra ottica possano offrire una stabilità ancora maggiore, non sono sempre pratici da posare tra città distanti. Il collegamento satellitare utilizzato qui offre un modo più semplice e accessibile per verificare che gli orologi ottici in tutto il mondo siano coerenti tra loro. I ricercatori hanno inoltre confermato che le loro misurazioni erano limitate principalmente dalla stabilità del loro maser a idrogeno locale, suggerendo che futuri miglioramenti potrebbero essere apportati utilizzando una sorgente di riferimento ancora più stabile. Questo lavoro segna un passo significativo avanti nel globale sforzo di ridefinire il secondo e di utilizzare questi orologi incredibilmente precisi per testare le leggi fondamentali della fisica.