Optical Signals Synthesized from an Optical Lattice Clock with Uncertainty of 1.3E-17

Il tempo è la valuta più fondamentale di cui disponiamo, eppure il nostro modo migliore per misurarlo è stato a lungo limitato dal lento e pesante ticchettio di un pendolo fatto di atomi vibranti. Per decenni, lo standard internazionale per un secondo si è basato su segnali a microonde di atomi di cesio, un metodo che, pur essendo affidabile, lascia un piccolo margine di errore che si accumula nel tempo. Gli scienziati sognano da tempo un orologio migliore, uno che utilizzi le vibrazioni molto più veloci della luce stessa. Questi "orologi ottici" sono così precisi che, se uno fosse stato in funzione dall'inizio dell'universo, oggi sarebbe sfasato di meno di un secondo. Tuttavia, un orologio troppo veloce è inutile se non riusciamo a tradurre il suo rapido ticchettio in un segnale che possiamo usare per altri scopi. Per colmare questo divario, i ricercatori hanno bisogno di un dispositivo in grado di prendere il battito ultra-preciso di un orologio ottico e rallentarlo, o accelerarlo, per creare una nuova luce laser stabile a qualsiasi colore desideri l'utente, senza perdere quell'incredibile accuratezza nel processo. Questo dispositivo è chiamato sintetizzatore di frequenza ottica, ed è la chiave per trasformare gli orologi più precisi del mondo in strumenti pratici per la scienza.

Un team di ricercatori presso l'Università Normale della Cina Orientale a Shanghai ha costruito un tale dispositivo e ha dimostrato che funziona con un'eccezionale fedeltà. Hanno creato un sistema che prende il segnale dal loro stesso orologio a reticolo ottico di ytterbio all'avanguardia e lo utilizza per generare un nuovo raggio laser a frequenza singola. La bellezza del loro lavoro risiede nel fatto che il nuovo laser eredita la perfezione dell'orologio originale. I ricercatori hanno scoperto che l'incertezza del loro segnale finale è incredibilmente piccola, pari a appena 1,3 volte 10 alla potenza negativa 17. Per mettere questo dato in prospettiva, se questo orologio fosse stato in funzione per l'intera età dell'universo, avrebbe perso meno di un secondo. Questo livello di precisione significa che il dispositivo può ora servire come riferimento maestro, capace di produrre luce stabile a quasi tutte le lunghezze d'onda di cui gli scienziati potrebbero aver bisogno, dallo spettro visibile all'infrarosso, mantenendo al contempo la stessa rigorosa accuratezza dell'orologio stesso.

Il cuore di questo traguardo è un metodo ingegnoso di divisione della frequenza dell'orologio. Immaginate la luce dell'orologio come un treno ad alta velocità che percorre un binario. I ricercatori avevano bisogno di creare un nuovo treno che si muovesse a una velocità specifica e più lenta, ma volevano assicurarsi che il nuovo treno non dovesse mai uscire dalla rotta. Hanno utilizzato uno strumento chiamato pettine di frequenza ottica, che agisce come un righello preciso fatto di luce, per misurare e dividere la frequenza dell'orologio. Collegando il loro laser in uscita a questo righello, si sono assicurati che ogni minimo sussulto dell'orologio venisse perfettamente trasferito al nuovo laser. Il sistema è così stabile che gli errori introdotti dal processo di divisione stesso sono trascurabili, molto più piccoli dei limiti naturali dell'orologio. Ciò significa che la qualità dell'output è determinata quasi interamente dalla qualità dell'orologio, che in questo caso è uno dei migliori al mondo.

Per capire perché questo risultato sia così significativo, bisogna guardare l'orologio stesso. I ricercatori hanno utilizzato un reticolo di luce per intrappolare migliaia di atomi di ytterbio, tenendoli fermi in modo da poterli misurare senza l'interferenza del calore o del movimento. Hanno raffreddato questi atomi a temperature di appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto, utilizzando una tecnica chiamata raffreddamento a banda laterale (sideband cooling) per farli assestare nel loro stato di energia più basso possibile. Anche a queste temperature estreme, gli atomi sono comunque influenzati dal loro ambiente. I ricercatori hanno dovuto tenere conto del calore irradiato dalle pareti della loro camera a vuoto, noto come radiazione di corpo nero, che può spostare leggermente gli atomi e cambiare il tic dell'orologio. Hanno anche dovuto correggere lo spostamento di luce causato dai laser stessi che tengono in posizione gli atomi. Misurando e correggendo attentamente questi effetti, hanno determinato che il loro orologio è limitato principalmente da questi due fattori: il calore della stanza e la luce che tiene in posizione gli atomi.

Il team non si è limitato a costruire la macchina; ha testato rigorosamente ogni possibile fonte di errore per sapere esattamente quanto fosse buona. Hanno misurato la temperatura della loro camera a vuoto con sensori ad alta precisione e calcolato l'effetto della radiazione termica, scoprendo che era la principale fonte di incertezza. Hanno anche analizzato gli spostamenti di luce dai laser del reticolo e di sonda, assicurandosi che gli atomi non venissero spinti o tirati in un modo tale da distorcere la misurazione del tempo. Hanno persino controllato l'influenza di campi magnetici parassiti e collisioni con gas di fondo. Dopo aver tenuto conto di ogni fattore noto, l'incertezza totale è rimasta a quel sorprendente valore di 1,3 volte 10 alla potenza negativa 17. Questo livello di certezza dimostra che il sintetizzatore di frequenza ottica non è solo un concetto teorico ma una realtà operativa che può ora essere utilizzata per esplorare l'universo con una sensibilità senza precedenti.

Le implicazioni di questo lavoro vanno ben oltre il tenere meglio il tempo. Con uno strumento in grado di generare luce stabile a qualsiasi frequenza con tale accuratezza, gli scienziati possono ora cercare cambiamenti nelle costanti fondamentali della natura, cercando segni che le leggi della fisica possano cambiare nel tempo. Apre la porta alla rilevazione della materia oscura e alla verifica delle teorie della gravità con una precisione che era precedentemente impossibile. I ricercatori stanno già guardando avanti, pianificando di migliorare ulteriormente il loro orologio schermando gli atomi dal calore e dai campi elettrici in modo ancora più efficace, con l'obiettivo di spingere l'incertezza verso il livello di 10 alla potenza negativa 18. Per ora, hanno dimostrato con successo che il ponte tra il mondo ultra-veloce degli orologi ottici e il mondo pratico dei laser utilizzabili è solido, stabile e pronto per le prossime grandi scoperte della fisica.