È record: il nuovo orologio atomico del NIST spacca (letteralmente!) il secondo

L’ultimo primato nell’orologeria atomica arriva dal National Institute of Standards and Technology (NIST), dove un team di ricercatori ha sviluppato un orologio atomico basato su uno ione di alluminio intrappolato capace di misurare il tempo fino alla diciannovesima cifra decimale. Questo risultato rappresenta un salto del 41% in accuratezza rispetto al precedente record mondiale e una stabilità superiore di 2,6 volte rispetto ad ogni altro orologio a ioni conosciuto. Il raggiungimento di questo traguardo è frutto di  un’intensa attività di ottimizzazione per ogni aspetto della macchina: dal sistema di intrappolamento, al vuoto spinto dell’ambiente operativo, fino al perfezionamento del laser utilizzato per la misurazione.

Come funziona un orologio ottico su ione di alluminio

Gli orologi atomici ottici vengono valutati secondo due parametri: l’accuratezza, ovvero quanto si avvicinano al “vero” tempo teorico (detto incertezza sistematica), e la stabilità, cioè la capacità di ripetere le misure senza fluttuazioni statistiche apprezzabili. Il nuovo orologio del NIST fa leva su uno ione di alluminio, eccellente per proprietà e “ticchettio” estremamente stabile: batte a frequenze ben più affidabili rispetto al cesio, riferimento attuale per la definizione scientifica del secondo, ed è molto meno sensibile alle variazioni di temperatura e campo magnetico.

I ricercatori spiegano però che l’alluminio è un elemento “schivo”, perché difficile da manipolare e raffreddare con i laser indispensabili agli orologi atomici. Il gruppo del NIST ha quindi creato abbinato allo ione alluminio, uno ione magnesio, che sebbene non abbia le proprietà di ticchettio dell'alluminio, è molto più facilmente gestibile dai laser.

Questo sistema prende il nome di spettroscopia quantistica logica: il magnesio raffredda l’alluminio e lo accompagna nei movimenti, consentendo di leggere lo stato dell’orologio tramite le oscillazioni del magnesio stesso. Un esempio raffinato di orologio quantistico a logica distribuita, grazie al quale sono stati superate svariate complicazioni fisiche che limitavano la precisione delle iterazioni precedenti.

Il superamento dei limiti tecnici: dalla trappola al laser

Uno degli ostacoli più impegnativi risiedeva nella progettazione della trappola elettromagnetica, in quanto piccole oscillazioni residue degli ioni avevano l'effetto di compromettere la precisione del ritmo. Le cause di queste oscillazioni residue è stata identificate in alcuni squilibri elettrici sui due lati della trappola e la soluzione è passata da un rinnovamento completo della trappola, che è stata basata su una lastra di diamante ispessita e con un rivestimento in oro potenziato su tutti gli elettrodi, capace di risolvere le asimmetrie e ridurre la resistenza, così che gli ioni potessero “ticchettare” indisturbati.

La trappola ionica dell'orologio a ioni di alluminio del NIST. Nel riquadro l'immagine CCD della coppia di ioni alluminio-magnesio: il cerchio mostra la posizione dello ione di alluminio, ma che è oscurato dalla fotocamera poiché può essere letto solo tramite spettroscopia a logica quantistica attraverso lo ione di magnesio.

Anche il sistema di vuoto che ospita la trappola ha causato qualche grattacapo. Nei sistemi tradizionali in acciaio, una minima dispersione di idrogeno va ad alterare la regolarità delle misurazioni, obbligando a sostituire gli ioni ogni mezz’ora. Il team del NIST ha optato per una camera in titanio, abbattendo di 150 volte la quantità di gas residuo, con la possibilità di portare avanti esperimenti per giorni senza interruzioni e senza dover reinserire nuovi ioni.

Come dicevamo, il team ha anche lavorato all'ottimizzazione di un laser estremamente stabile per interrogare gli ioni e contarne i “battiti” temporali. Nel 2019 servivano settimane di acquisizione per compensare le fluttuazioni quantistiche dovute al laser, ma oggi, grazie alla collaborazione con il laboratorio di Jun Ye (JILA, University of Colorado Boulder), considerato leader mondiale nella produzione di laser ultrastabili, un raggio laser trasportato su fibra ottica per 3,6 km collega i due laboratori, trasferendo stabilità e permettendo interrogazioni prolungate (1 secondo rispetto ai 150 millisecondi precedenti). Il tempo necessario per misurazioni alla diciannovesima cifra si è così ridotto da tre settimane a un giorno e mezzo.

Implicazioni scientifiche e tecnologiche

Il nuovo orologio a ione di alluminio cambia la prospettiva sulla ridefinizione del secondo, costituendo un trampolino verso precisioni impensabili fino a pochi anni fa e accelerando il progresso della fisica fondamentale. Tali livelli di accuratezza renderanno possibile nuove misure in geodesia terrestre e potranno gettare luce su fenomeni ancora inesplorati, come eventuali variazioni nel tempo delle costanti fondamentali della natura, ipotesi chiave per il superamento del Modello Standard e per una nuova generazione di tecnologie quantistiche. Riducendo il tempo medio di misura da settimane a pochi giorni, la nuova piattaforma permette inoltre di sperimentare architetture ancora più avanzate, come l’entanglement tra più ioni e l’aumento del numero di ioni attivi nella rilevazione, verso performance mai viste in laboratorio.