L'orologio atomico diventa 3D / The atomic clock becomes 3D

L'orologio atomico diventa 3DThe atomic clock becomes 3D


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa



Il nuovo orologio atomico del NIST (Credit: G.E. Marti/JILA) / The new NIST atomic clock

I ricercatori dello statunitense NIST hanno realizzato un orologio atomico basato su un reticolo tridimensionale cubico di atomi di stronzio mantenuti a bassissima temperatura. Si tratta di un notevole progresso rispetto alle architetture lineari usate finora e garantisce prestazioni eccezionali in termini di precisione nella misurazione del tempo.

Una precisione mai raggiunta finora – 3,5 parti su 10 miliardi di miliardi – è di per sé un risultato eccezionale. Se poi si aggiunge che è stata ottenuta con un'architettura innovativa, si può comprendere la portata del risultato ottenuto da ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) illustrato su “Science”. Si tratta di un orologio atomico realizzato con un insieme di atomi di stronzio impacchettati in un reticolo tridimensionale e dalla densità 1000 volte maggiore rispetto a quella di precedenti realizzazioni dello stesso tipo che usavano un'architettura lineare.


Ogni orologio per funzionare ha bisogno di fare affidamento su una "base di tempo”: il periodo di oscillazione di un pendolo, di un oscillatore o di un cristallo di quarzo. In modo del tutto analogo, gli orologi atomici si basano sulla frequenza di specifiche transizioni dei livelli energetici di un atomo.

Ultimamente, alcuni gruppi di ricerca hanno sfruttato come base del tempo schiere di atomi, in genere di itterbio o stronzio, in modo da poter fare la media su diverse misurazioni della frequenza e migliorare la precisione e la stabilità dell'orologio atomico. I ricercatori del NIST hanno ora usato un “gas quantistico” cioè un insieme di atomi raffreddati fino a poche frazioni infinitesime di grado sopra lo zero assoluto. In queste condizioni, gli effetti quantistici diventano preponderanti, e gli atomi, bloccati in posizioni fisse per l'assenza quasi assoluta di vibrazioni termiche, iniziano a comportarsi come un'unica entità.

Con gli atomi così disposti, gli autori hanno ottenuto un elevatissimo “fattore di qualità”, un parametro che riflette il livello di sincronizzazione tra gli atomi e i fasci laser 
usati per “interrogarli”: i “battiti” degli atomi sono così risultati eccezionalmente stabili, a tutto vantaggio della precisione dell'orologio.

Il prototipo ha dimostrato di poter mantenere stabili per circa 10 secondi i battiti di 10.000 atomi di stronzio, impacchettati con una densità di 10.000 miliardi di atomi per centimetro quadrato. E per il futuro gli autori contano di arrivare a tempi di funzionamento di 100 secondi alla volta.

“Questo nuovo orologio ad atomi di stronzio in forma di gas quantistico è un primo e notevole successo nel campo delle applicazioni pratiche della 'nuova rivoluzione quantistica', ha commentato Thomas O'Brian, che guida la divisione di fisica quantistica del NIST. “Questo approccio è assai promettente per un'ampia gamma di misurazioni e di nuove tecnologie che fanno affidamento sulla misurazione estremamente precisa del tempo.”

ENGLISH

US NIST researchers have made an atomic clock based on a three-dimensional cubic lattice of strontium atoms maintained at a very low temperature. This is a remarkable improvement over the linear architectures used so far and guarantees exceptional performance in terms of precision in measuring time.

Unprecedented precision so far - 3.5 percent over 10 billion billions - is by itself an outstanding achievement. If we add that it has been achieved with an innovative architecture, we can understand the extent of the result obtained by researchers from the National Institute of Standards and Technology (NIST) illustrated in "Science". It is an atomic clock made with a set of strontium atoms packed in a three-dimensional grid and density 1000 times greater than that of previous designs of the same type that used a linear architecture.


Every clock to work needs to rely on a "time base": the oscillation period of a pendulum, an oscillator or a quartz crystal. Similarly, atomic clocks are based on the frequency of specs transitions of energy levels of an atom.

Lately, some research groups have used time-based atomic arrays, typically of itterbium or strontium, so that they can do the average on several frequency measurements and improve the precision and stability of the atomic clock. NIST researchers now use a "quantum gas", that is, a set of cooled atoms up to a few infinitesimal degrees of absolute absolute zero. In these conditions, quantum effects become overwhelming, and the atoms, blocked in fixed positions for the almost absolute absence of thermal vibrations, begin to behave as a single entity.

With such atoms, the authors have achieved a very high "quality factor", a parameter that reflects the level of synchronization between the atoms and the laser beams used to "interrogate" them: the "beats" of the atoms are thus exceptionally stable results, to the advantage of the accuracy of the watch.

The prototype has been shown to be able to maintain 10,000 strontium atoms for 10 seconds, packed with a density of 10,000 billion atoms per square centimeter. And for the future, the authors count for 100 seconds to run at a time.

"This new strontium atomic clock in the form of quantum gas is a first and significant success in the field of practical applications of the 'new quantum revolution,' commented Thomas O'Brian, who leads the quantum physics division of NIST. "This approach is very promising for a wide range of measurements and new technologies that rely on the extremely accurate measurement of time."

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/10/09/news/orologio_atomico_3d-3699035/?ref=nl-Le-Scienze_13-10-2017

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