La nuova definizione dei secondi è più vicina dopo il confronto internazionale tra orologi ottici / New definition of second ticks closer after international optical-clock comparison

 La nuova definizione dei secondi è più vicina dopo il confronto internazionale tra orologi ottici / New definition of second ticks closer after international optical-clock comparison

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

Un'idea brillante: le fibre ottiche svolgono un ruolo cruciale nel confronto degli orologi ottici. / Bright idea Optical fibres are playing a crucial role in the comparison of optical clocks.

Gli orologi atomici sono fondamentali per molte tecnologie moderne, tra cui la navigazione satellitare e le reti di telecomunicazioni, e sono utilizzati anche nella ricerca fondamentale. L'orologio più comunemente utilizzato è basato sul cesio-133. Utilizza la radiazione a microonde per eccitare un elettrone tra due specifici livelli energetici iperfini nello stato fondamentale dell'atomo. Questa radiazione ha una frequenza molto precisa, che è attualmente utilizzata per definire il secondo come unità di tempo nel Sistema Internazionale.

Gli orologi atomici stanno attualmente venendo soppiantati dagli orologi ottici, che utilizzano la luce anziché le microonde per eccitare gli atomi. Poiché gli orologi ottici operano a frequenze più elevate, sono molto più precisi dei cronometri a microonde.

Nonostante il potenziale degli orologi atomici ottici, la comunità internazionale non ne ha ancora utilizzato uno per definire il secondo. Prima che ciò possa accadere, i metrologi devono essere in grado di confrontare la misurazione del tempo di diversi tipi di orologi ottici su lunghe distanze per verificarne il corretto funzionamento. Ora, nell'ambito di un progetto finanziato dall'UE, i ricercatori hanno effettuato un confronto altamente coordinato di orologi ottici in sei paesi di due continenti: Regno Unito, Francia, Germania, Italia, Finlandia e Giappone.

Il tempo vola

Lo studio consisteva in 38 confronti (rapporti di frequenza) eseguiti simultaneamente con dieci diversi orologi ottici. Questi erano: un orologio a ioni di indio presso il LUH in Germania; orologi a ioni di itterbio di due tipi diversi presso il PTB in Germania; un orologio a ioni di itterbio presso l'NPL nel Regno Unito; orologi atomici di itterbio presso l'INRIM in Italia e il NMIJ in Giappone; un orologio a ioni di stronzio presso il VTT in Finlandia; ed orologi atomici di stronzio presso l'LTE in Francia e presso l'NPL e il PTB.

Per confrontare gli orologi, i ricercatori hanno collegato le frequenze in uscita dai diversi sistemi utilizzando due metodi: segnali radio provenienti da satelliti e luce laser che viaggia attraverso fibre ottiche. Il metodo satellitare ha utilizzato i segnali di navigazione satellitare GPS, disponibili per tutti gli orologi oggetto dello studio. Il gruppo ha anche utilizzato collegamenti in fibra ottica personalizzati, che hanno consentito misurazioni con una precisione 100 volte superiore rispetto alla tecnica satellitare. Tuttavia, le fibre potevano essere utilizzate solo per i collegamenti internazionali tra orologi in Francia, Germania e Italia. Collegamenti in fibra ottica corti sono stati utilizzati per collegare gli orologi all'interno di istituti situati nel Regno Unito e in Germania.

Una sfida importante è stata quella di coordinare il funzionamento simultaneo di tutti gli orologi ed i collegamenti. Un'altra sfida è emersa in fase di analisi, poiché i risultati non sempre confermavano i valori attesi e presentavano alcune incongruenze nelle misurazioni. Tuttavia, il vantaggio di confrontare così tanti orologi contemporaneamente e di utilizzare più di una tecnica di collegamento è che spesso è stato possibile identificare la fonte dei problemi.

Aspetta un secondo

Le misurazioni hanno fornito un'aggiunta significativa al corpus di dati per i confronti internazionali degli orologi. Le incertezze e la coerenza di tali dati influenzeranno la scelta di quali transizioni ottiche utilizzare nella nuova definizione di secondo. Tuttavia, prima della ridefinizione, saranno richieste incertezze ancora inferiori nei confronti. Vi sono anche diversi altri criteri molto diversi che devono essere soddisfatti, come dimostrare che gli orologi ottici possono fornire contributi regolari alla scala atomica internazionale.

Rachel Godun dell'NPL, che ha coordinato la campagna di confronto degli orologi, afferma che saranno necessarie misurazioni ripetute per aumentare la fiducia nell'affidabilità degli orologi e dei collegamenti ottici e nel loro funzionamento, garantendo sempre le prestazioni attese. Afferma inoltre che la comunità scientifica deve impegnarsi per ridurre le incertezze di misura, fino a raggiungere valori inferiori a 5 parti su 10⁻18 , obiettivo che si prefigge prima della ridefinizione del secondo. "Sono quindi necessari più confronti tramite collegamenti in fibra ottica, poiché presentano incertezze inferiori rispetto ai confronti tramite tecniche satellitari", ha dichiarato a Physics World .

Pierre Dubé del Consiglio Nazionale delle Ricerche canadese afferma che il numero senza precedenti di orologi coinvolti nella campagna di misurazione ha prodotto un ampio set di dati di rapporti di frequenza, utilizzati per verificare la coerenza dei risultati e rilevare eventuali anomalie. Dubé, non coinvolto nello studio, aggiunge che questo studio migliora significativamente la nostra conoscenza di diversi rapporti di frequenza ottica e la nostra fiducia nei metodi di misurazione, particolarmente significativi per la ridefinizione del secondo SI utilizzando orologi ottici.

"La comunità degli orologi ottici è fortemente motivata a ottenere il miglior set possibile di misurazioni prima che il secondo SI venga ridefinito utilizzando una transizione ottica (o un set di transizioni ottiche, a seconda dell'opzione di ridefinizione scelta)", conclude Dubé.

ENGLISH

Atomic clocks are crucial to many modern technologies including satellite navigation and telecoms networks, and are also used in fundamental research. The most commonly used clock is based on caesium-133. It uses microwave radiation to excite an electron between two specific hyperfine energy levels in the atom’s ground state. This radiation has a very precise frequency, which is currently used to define the second as the SI unit of time.

Atomic clocks are currently being supplanted by the optical clocks, which use light rather than microwaves to excite atoms. Because optical clocks operate at higher frequencies, they are much more accurate than microwave-based timekeepers.

Despite the potential of optical atomic clocks, the international community has yet to use one to define the second. Before this can happen, metrologists must be able to compare the timekeeping of different types of optical clocks across long distances to verify that they are performing as expected. Now, as part of an EU-funded project, researchers have made a highly coordinated comparison of optical clocks across six countries in two continents: the UK, France, Germany, Italy, Finland and Japan.

Time flies

The study consisted of 38 comparisons (frequency ratios) performed simultaneously with ten different optical clocks. These were an indium ion clock at LUH in Germany; ytterbium ion clocks of two different types at PTB in Germany; a ytterbium ion clock at NPL in the UK; ytterbium atom clocks at INRIM in Italy and NMIJ in Japan; a strontium ion clock at VTT in Finland; and strontium atom clocks at LTE in France and at NPL and PTB.

To compare the clocks, the researchers linked the frequency outputs from the different systems using two methods: radio signals from satellites and laser light travelling through optical fibres. The satellite method used GPS satellite navigation signals, which were available to all the clocks in the study. The team also used customized fibre links, which allowed measurements with 100 times greater precision than the satellite technique. However, fibres could only be used for international connections between clocks in France, Germany and Italy. Short fibre links were used to connect clocks within institutes located in the UK and Germany.

A major challenge was to coordinate the simultaneous operation of all the clocks and links. Another challenge arose at the analysis stage because the results did not always confirm the expected values and there were some inconsistencies in the measurements. However, the benefit of comparing so many clocks at once and using more than one link technique is that it was often possible to identify the source of problems.

Wait a second

The measurements provided a significant addition to the body of data for international clock comparisons. The uncertainties and consistency of such data will influence the choice of which optical transition(s) to use in the new definition of the second.  However, before the redefinition, even lower uncertainties will be required in the comparisons. There are also several other very different criteria that need to be met as well, such as demonstrating that optical clocks can make regular contributions to the international atomic time scale.

Rachel Godun at NPL, who coordinated the clock comparison campaign, says that repeated measurements will be needed to build confidence that the optical clocks and links can be operated reliably and always achieve the expected performance.  She also says that the community must push towards lower measurement uncertainties to

reach less than 5 parts in 10 –18 which is the target ahead of the redefinition of the second.  “More comparisons via optical fibre links are therefore needed because these have lower uncertainties than comparisons via satellite techniques”, she tells Physics World.

Pierre Dubé of Canada’s National Research Council says that the unprecedented number of clocks involved in the measurement campaign yielded an extensive data set of frequency ratios that were used to verify the consistency of the results and detect anomalies. Dubé, who was not involved in the study, adds that it significantly improves our knowledge of several optical frequency ratios and our confidence in the measurement methods, which are especially significant for the redefinition of the SI second using optical clocks.

“The optical clock community is strongly motivated to obtain the best possible set of measurements before the SI second is redefined using an optical transition (or a set of optical transitions, depending on the redefinition option chosen)”, Dubé concludes.

Da:

https://physicsworld.com/a/new-definition-of-second-ticks-closer-after-international-optical-clock-comparison/