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La squadra cinese sincronizza gli orologi con i laser a una distanza record

La luce laser blu si illumina all'interno di una parte di un orologio ottico in un laboratorio dell'Istituto fisico-tecnico federale tedesco.

Gli scienziati sperano di utilizzare orologi ottici per ridefinire il secondo.Credito fotografico: Julian Stratenschulte/DPA tramite ZUMA Press

I fisici hanno trovato un modo per sincronizzare in modo molto preciso il ticchettio di due orologi nell’aria su una distanza record di 113 chilometri.

L’impresa è un passo verso la ridefinizione del secondo utilizzando orologi ottici, orologi 100 volte più accurati degli orologi atomici su cui si basa attualmente il Tempo Coordinato Universale (UTC).

I metrologi sperano di utilizzare gli orologi ottici per ridefinire il secondo nel 2030. Ma un ostacolo sulla loro strada è la necessità di trovare un modo affidabile per trasmettere segnali tra orologi ottici in laboratori in diversi continenti per confrontare le loro uscite. In pratica, questo probabilmente significa che l’ora degli orologi viene trasmessa attraverso l’aria e lo spazio ai satelliti. Tuttavia, questa è una sfida poiché l’atmosfera interferisce con i segnali.

Un team guidato da Jian-Wei Pan, un fisico dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina a Hefei, è riuscito a inviare precisi impulsi di luce laser tra gli orologi in stazioni a 113 chilometri di distanza nella provincia cinese dello Xinjiang1. Questo è sette volte il record precedente2 di 16 chilometri.

Il risultato pubblicato in Natura1 il 5 ottobre, è “eccezionale”, afferma David Gozzard, fisico sperimentale presso l’Università dell’Australia occidentale a Perth. Raggiungere un livello di sincronizzazione così elevato su questa distanza nell’aria “rappresenta un progresso significativo nel raggiungimento di quello tra un satellite e il suolo”, aggiunge.

La sincronizzazione di orologi iper-precisi in luoghi difficili da raggiungere potrebbe avere vantaggi anche altrove nella ricerca, afferma Tetsuya Ido, direttore dello Space-Time Standards Laboratory presso il Radio Research Institute di Tokyo. Ad esempio, gli orologi potrebbero essere usati per testare la teoria della relatività generale, che afferma che il tempo dovrebbe passare più lentamente dove la gravità è più forte, come a basse altitudini. Il confronto del ticchettio di due orologi ottici potrebbe anche rivelare sottili cambiamenti nei campi gravitazionali causati dal movimento delle masse, ad esempio lo spostamento delle placche tettoniche, dice.

Orologi di nuova generazione

Dal 1967, il secondo è stato definito dagli orologi atomici che utilizzano atomi di cesio-33: un secondo è il tempo necessario per attraversare 9.192.631.770 cicli della radiazione a microonde che gli atomi assorbono ed emettono durante la transizione tra stati specifici. Gli orologi ottici di oggi utilizzano il “ticchettio” a frequenza più alta di elementi come lo stronzio e l’itterbio, consentendo loro di scomporre il tempo in frazioni ancora più fini.

Tuttavia, l’ora ufficiale non può essere generata con un solo orologio. I metrologi devono calcolare la media delle prestazioni di centinaia di orologi in tutto il mondo. Negli orologi al cesio, il tempo può essere trasmesso da segnali a microonde, ma la radiazione a microonde è troppo bassa per trasmettere il ticchettio ad alta frequenza degli orologi ottici.

Inviare segnali attraverso l’aria a lunghezze d’onda ottiche non è facile come inviare microonde, perché le molecole nell’aria assorbono facilmente la luce, riducendo drasticamente la potenza del segnale. Inoltre, la turbolenza può deviare un raggio laser dal bersaglio. Per confrontare gli orologi ottici, i fisici si sono basati principalmente sulla trasmissione di segnali tramite cavi in ​​fibra ottica o sul trasporto degli stessi orologi ingombranti e complessi per confrontarli fianco a fianco. Ma questi metodi non sono pratici per creare il tipo di rete globale necessaria per definire la seconda.

Il team di Pan è riuscito a combinare diversi sviluppi minori, afferma Gozzard. Per generare il loro segnale, i ricercatori hanno utilizzato pettini di frequenza ottici, dispositivi che generano impulsi di luce laser estremamente stabili e precisi, e hanno amplificato la loro uscita con amplificatori ad alta potenza per ridurre al minimo la perdita di segnale mentre gli impulsi viaggiavano nell’aria. Il team ha anche sintonizzato e ottimizzato i ricevitori in modo che potessero captare segnali deboli e tracciare automaticamente la direzione del laser in arrivo.

Il gruppo trasmette intervalli di tempo utilizzando due lunghezze d’onda della luce visibile e ne trasmette un’altra su un collegamento in fibra ottica. Confrontando le minuscole differenze tra i segnali ricevuti dai ricevitori, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbero propagare il ticchettio per ore con una stabilità sufficientemente alta da perdere o guadagnare solo un secondo ogni 80 miliardi di anni circa. La precisione era al livello degli orologi ottici.

Non ancora qui

Sebbene questo metodo di trasmissione sia il più stabile dell’umanità fino ad oggi, Gozzard afferma che deve essere ulteriormente migliorato per stare al passo con la stabilità dei migliori orologi ottici.

Un’altra limitazione è che l’esperimento è stato condotto in una regione remota con condizioni atmosferiche ottimali, afferma Ido. “L’umidità è piuttosto bassa e la turbolenza dell’aria potrebbe essere più silenziosa rispetto alle tradizionali aree urbane”, afferma. Gli studi futuri devono verificare quanto bene il metodo funzioni in altri luoghi.

Ma l’esperimento sembra essere un buon proxy per inviare tali segnali nello spazio, afferma Helen Margolis, fisica del National Physical Laboratory di Teddington, nel Regno Unito. La turbolenza prevista a 113 chilometri a terra è paragonabile a quella sulla strada dal suolo a un satellite, dice.

La trasmissione satellitare dovrà affrontare un altro ostacolo: gli orologi orbiteranno ad alta velocità, spostando la frequenza dei loro segnali, afferma Gozzard.

Pan dice che questa è una delle sfide che la sua squadra dovrà affrontare in seguito. Il team ha precedentemente sviluppato tecnologie per un satellite per comunicazioni quantistiche e ora le sta utilizzando per sviluppare modalità di trasmissione tra orologi ottici in orbita geostazionaria ea terra.

Con gli orologi ottici nello spazio, sarebbe anche “possibile fornire nuove sonde per la fisica fondamentale, come la caccia alla materia oscura e il rilevamento delle onde gravitazionali”, aggiunge Pan.

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