Gli orologi atomici si preparano per la terra e lo spazio

Al centro di un qualsiasi orologio ha luogo un fenomeno oscillatorio che si verifica a intervalli altamente regolari, sia che si tratti di un orologio a pendolo oscillante, sia che si abbia a che fare con le oscillazioni dovute alla tensione di un cristallo di quarzo. Tuttavia, nonostante l’ingegnoso design, i segnatempo meccanici ed elettromeccanici tendono a essere sensibili ai cambiamenti di temperatura e all’invecchiamento. Inoltre, il crescente bisogno di una maggiore precisione nella scansione del tempo richiede oscillatori caratterizzati da frequenze maggiori.

Gli orologi atomici ottici utilizzano la frequenza delle transizioni degli elettroni da un’orbitale atomico a un altro e ciò rappresenta un passo avanti rivoluzionario nel campo degli standard relativi alla segnalazione del tempo, reso possibile grazie ai progressi compiuti nel campo della tecnologia laser e dell’ottica quantistica. Questi sistemi utilizzano frequenze ottiche e di oscillazioni ultraelevate. Di conseguenza, gli orologi atomici ottici sostituiranno le controparti al cesio (Cs), che emettono un ticchettio in base alla frequenza delle microonde all’incirca 10 miliardi di volte al secondo.

Nei cosiddetti orologi atomici ottici dotati di struttura a reticolo, gli atomi freddi vengono attratti in un’onda laser sotto forma di onda stazionaria (reticolo ottico), in cui vengono rinchiusi contemporaneamente migliaia di atomi. Sintonizzando la luce laser con struttura a reticolo su una lunghezza d’onda accuratamente individuata, è possibile ridurre al minimo gli effetti sulle transizioni degli elettroni. Di conseguenza, gli orologi atomici ottici sono in grado di garantire livelli di precisione e di stabilità senza precedenti.

Nell’ambito del progetto SOC2, finanziato dall’UE, un gruppo di ricercatori sta sviluppando e utilizzando componenti e sottosistemi operativi critici necessari per la realizzazione di orologi ottici con struttura a reticolo e atomi neutri ultraprecisi, ideali per il trasporto e, infine, per l’utilizzo nello spazio. Per la realizzazione di questi dispositivi, i ricercatori utilizzano atomi di itterbio (Yb) e stronzio (Sr).

Gli scienziati di SOC2 hanno sviluppato i sottosistemi laser necessari integrandoli con i sottosistemi atomici per lo stronzio e l’itterbio in sistemi di orologi completi. Ad esempio, per l’orologio a Sr, sono stati realizzati sottosistemi compatti e robusti per la stabilizzazione della frequenza basati su cavità ottiche, un rallentatore atomico a magneti permanenti e una camera atomica estremamente compatta. I relativi sistemi compatti e a basso consumo energetico producono normalmente atomi di Sr ultrafreddi.

Per l’orologio a Yb, gli scienziati hanno sviluppato laser a diodi a cavità esterna attraverso l’utilizzo di filtri di interferenza a banda stretta che garantiscono una maggiore stabilità rispetto ai laser stabilizzati con reticolo comunemente utilizzati. Il primo prototipo dell’apparecchio modulare, completamente funzionante, prevede un funzionamento automatico e una stabilità durante svariate ore di utilizzo. Il dispositivo è stato di recente trasportato senza problemi da un furgone proveniente dall’Università di Düsseldorf all’Istituto italiano di metrologia di Torino, dove è attualmente oggetto di un processo di caratterizzazione approfondito.

Una volta finalizzati, gli orologi atomici ottici SOC2 si trasformeranno in dimostratori a banda larga degli orologi del futuro da utilizzare nell’ambito di esperimenti spaziali e, nello specifico, per l’esecuzione di un test più preciso su un aspetto fondamentale della teoria della relatività generale di Einstein che prende il nome di dilatazione del tempo. Gli orologi spaziali consentiranno inoltre di creare frequenze ultrastabili sulla Terra.