Un nuovo tipo di orologio atomico è più preciso di qualsiasi altro ancora costruito, con la possibilità di scorrere senza intoppi per mille volte la vita dell'universo. Oltre ad essere il miglior cronometrista fino ad oggi, il nuovo cosiddetto orologio a gas quantico potrebbe un giorno offrire approfondimenti sulla nuova fisica.
I ricercatori del JILA (precedentemente noto anche come Joint Institute for Laboratory Astrophysics) hanno usato una combinazione di atomi di stronzio e una serie di raggi laser per creare un orologio così preciso da poter misurare l'interazione della gravità su scale più piccole che mai . In tal modo, potrebbe far luce sulla natura della sua relazione con altre forze fondamentali, un mistero che ha sconcertato i fisici per decenni.
Gli orologi atomici misurano il tempo usando le vibrazioni degli atomi come un metronomo molto preciso. Gli attuali orologi atomici si spengono per secondi per decine di miliardi di anni. Questa nuova iterazione rimane abbastanza precisa da spegnersi di solo 1 secondo per circa 90 miliardi di anni.
Per ottenere quel tipo di precisione, il team ha raffreddato gli atomi di stronzio per impedire loro di muoversi e urtarsi l'un l'altro - qualcosa che può far cadere le loro vibrazioni. Innanzitutto, colpiscono gli atomi con i laser. Quando vengono colpiti dai fotoni nei laser, gli atomi assorbono la loro energia e riemettono un fotone, perdendo energia cinetica e diventando più freddi. Ma questo non li ha raffreddati abbastanza. Quindi, per renderli ancora più freddi, il team ha fatto affidamento sul raffreddamento evaporativo, permettendo ad alcuni atomi di stronzio di evaporare e accettare ancora più energia. Sono stati lasciati con tra 10.000 e 100.000 atomi, ad una temperatura di soli 10-60 miliardi di gradi di grado sopra lo zero assoluto, o meno 459 gradi Fahrenheit (meno 273 gradi Celsius).
Gli atomi freddi erano intrappolati da una disposizione 3D di laser. I raggi sono stati predisposti per interferire tra loro. Mentre lo facevano, crearono regioni a bassa e alta energia potenziale, chiamate potenziali pozzi. I pozzi si comportano come scatole di uova impilate e ognuna contiene un atomo di stronzio.
Gli atomi sono diventati così freddi che hanno smesso di interagire tra loro - a differenza di un gas normale, in cui gli atomi corrono in modo casuale e rimbalzano sui loro simili, tali atomi raffreddati rimangono abbastanza fermi. Quindi iniziano a comportarsi in modo meno simile a un gas e più simile a un solido, anche se la distanza tra loro è molto più grande di quella che si trova nello stronzio solido.
"Da quel punto di vista, è un materiale molto interessante; ora ha proprietà come se fosse uno stato solido", ha detto a Live Science il leader del progetto Jun Ye, un fisico del National Institute of Standards and Technology. (JILA è gestita congiuntamente dal NIST e dall'Università del Colorado a Boulder.)
A questo punto, l'orologio era pronto per iniziare a tenere il tempo: i ricercatori hanno colpito gli atomi con un laser, eccitando uno degli elettroni in orbita attorno al nucleo dello stronzio. Poiché gli elettroni sono governati dalle leggi della meccanica quantistica, non si può dire in quale livello di energia si trova l'elettrone una volta che è eccitato, e si può solo dire che ha una probabilità di trovarsi nell'uno o nell'altro. Per misurare l'elettrone, dopo 10 secondi, hanno sparato un altro laser sull'atomo. Quel laser misura dove si trova l'elettrone attorno al nucleo, quando un fotone del laser viene riemesso dall'atomo - e quante volte ha oscillato in quel periodo (i 10 secondi).
La media di questa misurazione su migliaia di atomi è ciò che dà a questo orologio atomico la sua precisione, così come la media dei battiti di migliaia di pendoli identici darà un'idea più precisa di quale dovrebbe essere il periodo di quel pendolo.
Fino ad ora, gli orologi atomici avevano solo "stringhe" di atomi invece di un reticolo 3D, quindi non potevano prendere tutte le misurazioni come questa, ha detto Ye.
"È come confrontare gli orologi", ha detto Ye. "Usando quell'analogia, l'impulso laser sugli atomi dà il via a un'oscillazione coerente. Dieci secondi dopo riaccendiamo l'impulso e chiediamo all'elettrone:" Dove sei? "" Quella misurazione è mediata su migliaia di atomi.
Mantenere gli elettroni in quello stato intermedio è difficile, Ye ha detto, ed è un'altra ragione per cui gli atomi devono essere così freddi, in modo che gli elettroni non tocchino accidentalmente nient'altro.
L'orologio può essenzialmente misurare i secondi fino a 1 parte in trilioni. Questa capacità rende molto più che un ottimo cronometrista; potrebbe aiutare nella ricerca di fenomeni come la materia oscura, ha detto Ye. Ad esempio, si potrebbe organizzare un esperimento nello spazio usando un timer così accurato per vedere se gli atomi si comportano in modo diverso da quanto prevedono le teorie convenzionali.
Lo studio è dettagliato nel numero del 6 ottobre della rivista Science.
