DAL CESIO ALLO STRONZIO

Quanto dura un secondo?

L’unità fondamentale del tempo potrebbe presto cambiare durata. Se gli attuali orologi atomici con clock a microonde saranno sostituiti da orologi con clock ottico, la precisione con la quale è definito il tempo atomico sarà infatti destinata a migliorare di decine di migliaia di volte

L'orologio a reticolo d'atomi di stronzio del PTB. Crediti: PTB

L’orologio a reticolo d’atomi di stronzio del PTB. Crediti: PTB

Per il dominio del tempo è guerra fra bande. Bande dello spettro elettromagnetico. A incrociare le spade – laser e maser, nella fattispecie – sono la banda ottica da una parte e quella delle microonde dall’altra. La posta in gioco? Niente meno che il controllo del cuore degli orologi atomici. Cuore di cesio per quelli a microonde, cuore di stronzio per quelli ottici.

Fino a oggi hanno dominato i primi, gli orologi a microonde. Più lenti e dunque meno accurati, ma molto più affidabili di quelli ottici, i circa 500 orologi atomici – sparsi per il globo e in rete fra loro – che danno il tempo all’umanità ticchettano al ritmo stabilito circa mezzo secolo fa, nel 1967, dall’International System of Units. Sistema secondo il quale un secondo è quel lasso di tempo nel quale l’onda emessa da un atomo di cesio 133 (in corrispondenza d’una particolare transizione) compie 9 miliardi 192 milioni 631 mila e 770 oscillazioni. Vale a dire, una frequenza di poco superiore ai 9 GHz: microonde, per l’appunto.

Il principio di funzionamento degli orologi ottici è analogo, ma gli atomi sui quali si basano emettono onde a frequenze decine di migliaia di volte più elevate. Quella generata dallo stronzio 87, per esempio, è un’oscillazione a 429.228.004.229.873 Hz. Il che corrisponde a una lunghezza d’onda di circa 700 nanometri: ciò che l’occhio umano vede come colore rosso.

Ora, una frequenza di clock più elevata, come questa consentita dagli atomi che emettono in banda ottica, contribuisce ad aumentare sia l’accuratezza degli orologi atomici sia la loro stabilità nel tempo. Purtroppo, però, gli orologi ottici, a causa della loro complessità, non sono ancora molto affidabili: quando marciano sono eccezionali, è vero, ma vanno fuori uso troppo spesso e per lunghi periodi di tempo. Non proprio la caratteristica più gradita per un sistema che, il tempo, vorrebbe regolarlo.

Ma ecco la novità. Nei laboratori del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), l’istituto di metrologia tedesco, hanno messo a punto un dispositivo ibrido che combina l’affidabilità di un maser (dispositivo analogo al laser, ma appunto a microonde) con l’accuratezza di un oscillatore allo stronzio, prendendo il meglio da entrambi. Come? «Abbiamo messo a confronto l’onda prodotta dal maser, che emette senza interruzioni, con il nostro orologio ottico», spiega il ricercatore alla guida dello studio appena pubblicato su Optica, Christian Grebing, del PTB, «utilizzando quest’ultimo, nei periodi in cui era in grado di fornire un segnale di clock, per correggere la frequenza del maser. Quando invece l’orologio ottico non è disponibile, il maser continua a funzionare per conto proprio».

Il test è durato 25 giorni, durante i quali il maser non s’è mai fermato, mentre il clock ottico ha subito – come previsto – interruzioni dai pochi minuti fino a due giorni, restando complessivamente fuori uso per circa la metà del tempo. Ma nell’altra metà ha agito, appunto, da “correttore” di frequenza per il maser. Risultato: un clock continuo con un errore, in tutto, inferiore a 0,2 nanosecondi sui 25 giorni di test.

Un esito che apre le porte alla possibilità di sostituire gli attuali orologi atomici con i loro analoghi in versione ottica. Orologi dall’incertezza relativa pari a circa 2,5 × 10-16, equivalente a rimanere indietro (o andare avanti) al massimo di 100 secondi in un arco di tempo pari all’età dell’universo, vale a dire poco meno di 14 miliardi di anni. Orologi capaci, inoltre, di segmentare il tempo in frazioni enormemente più piccole rispetto a quelli precedenti, offrendo potenziali vantaggi nei settori più vari: dalla precisione dei GPS alla velocità dei sistemi che gestiscono le transazioni finanziarie.

E con una curiosa conseguenza sulla definizione stessa di secondo. Se il “righello” che lo misura diventa decine di migliaia di volte più preciso, anche la durata dell’unità standard del tempo dovrà necessariamente adeguarsi: per quanto infinitesimale, passando dal clock al cesio a uno basato sullo stronzio un piccolo aggiustamento sarà inevitabile. Siete pronti a correggere le pagine di Wikipedia?

Per saperne di più:

Fonte: Media INAF | Scritto da Marco Malaspina