Errore di 39,6 miliardi di anni inferiore a un secondo: l’orologio atomico più preciso al mondo stabilisce un nuovo record
2024-08-19
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Quanto dura 1 secondo? Come dovrebbe essere definita la precisione scientifica del secondo? Il 22 settembre 2023, Mozi Salon ha avuto l'onore di invitare Jun Ye, professore del Dipartimento di Fisica dell'Università del Colorado e vincitore del "Mozi Quantum Prize", a tenere un discorso dal titoloIl discorso ha introdotto il contesto della ricerca sugli orologi atomici in modo di facile comprensione e l’esplorazione del gruppo di ricerca per migliorare continuamente la precisione della misurazione del tempo.Ora, è possibile migliorare il limite superiore di precisione degli orologi atomici? L'ultimo risultato del team di Ye Jun ha battuto ancora una volta il record di precisione dell'orologio atomico, ha ottenuto un balzo in avanti nella precisione della misurazione del tempo e ha stabilito un nuovo punto di riferimento per la prossima generazione di orologi atomici. Il 24 gennaio abbiamo sviluppato con successo il sistema di orologio ottico con i migliori indicatori nazionali () dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina è stato invitato da Physics a presentare questo risultato.
L’emergere degli orologi atomici negli anni ’50 ha segnato un importante passo avanti nella nostra capacità di misurare il tempo con altissima precisione.Dopo 70 anni di sviluppo, è attualmente il dispositivo di cronometraggio più preciso. Se avesse iniziato a cronometrare all'inizio del Big Bang, il suo errore non avrebbe superato il secondo.Questi orologi atomici precisi hanno ampie applicazioni nella fisica di base, nella metrologia, nella navigazione e in altri campi. Ulteriori miglioramenti potrebbero portare a una serie di nuove applicazioni e nuovi test di fisica fondamentale.Tuttavia, il raggiungimento di ulteriori miglioramenti deve affrontare molte sfide, tra cui la principale è il rumore ambientale, come le fluttuazioni del campo magnetico e i cambiamenti di temperatura, e le complesse interazioni degli atomi, che governano il funzionamento dell’orologio ma sono difficili da controllare. Per affrontare queste sfide, i ricercatori dell’American Joint Astrophysics Laboratory (GILA) e un team di ricercatori dell'Università del Colorado Boulder hanno battuto il record di precisione dell'orologio atomico.▲ Figura 1:Sono presenti gli atomi di stronzio1S0E3P0Le transizioni tra gli stati servono come riferimenti per gli orologi a reticolo ottico. Quando un segnale ottico risuona con una transizione, la sua frequenza può essere definita in modo molto preciso.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato un orologio reticolare ottico (OLC) basato su atomi di stronzio neutri per misurare la frequenza delle transizioni atomiche dello stronzio e l'incertezza del suo sistema ha raggiunto 8,1×10-19, più del doppio del record precedente (il lavoro preliminare del team). Questo risultato segna un salto di qualità nella misurazione del tempo e stabilisce un nuovo punto di riferimento per la prossima generazione di orologi atomici.I primi orologi atomici utilizzavano la frequenza dei segnali a microonde come "pendolo" per tenere il tempo. Oggi le migliori tecniche di misurazione del tempo si basano sulla luce emessa da alcune transizioni atomiche, chiamate transizioni dell'orologio. L’alta frequenza (tipicamente poche centinaia di terahertz) e la larghezza di linea ridotta (tipicamente 1-100 millihertz) di queste transizioni significano che gli orologi atomici ottici possono misurare il tempo in modo più accurato rispetto agli orologi atomici basati su microonde, che cronometrano a frequenze più basse. Grazie agli instancabili sforzi dei ricercatori negli ultimi decenni, gli orologi ottici ora funzionano più di due ordini di grandezza meglio degli orologi a microonde. Migliorare ulteriormente le proprie prestazioni significa ridurre la dimensione degli errori sistematici.Per raggiungere questo obiettivo, i team della JILA e dell’Università del Colorado Boulder hanno rivalutato i coefficienti di alcuni parametri atomici fondamentali per il funzionamento degli orologi atomici ottici. In particolare, i ricercatori hanno studiato la transizione dell’orologio con la sensibilità magnetica più bassa tra gli atomi di stronzio (3P0E1S0transizioni tra stati) sono stati accuratamente calibrati (vedere Figura 1) e sono stati determinati i coefficienti di Zeeman del secondo ordine.Il coefficiente di Zeeman descrive l'effetto di un campo magnetico sul livello energetico di un elettrone e quindi la variazione di frequenza della luce emessa durante la transizione associata. In genere, le transizioni dell'orologio magneticamente insensibili vengono scelte per ridurre al minimo lo spostamento di frequenza Zeeman dominante del primo ordine, che riduce la sensibilità dell'orologio alle fluttuazioni del campo magnetico ambientale. Ma esistono ancora effetti di secondo ordine più deboli. La calibrazione di questo coefficiente da parte del team ha ridotto l'incertezza causata dallo spostamento della frequenza Zeeman di secondo ordine a 1×10-19, il doppio della calibrazione precedente.▲ Figura 2:Nel settembre 2023, alla Conferenza internazionale del 2023 sulle tecnologie quantistiche emergenti a Hefei, Jun Ye, in qualità di vincitore del "Premio Mozi Quantum", ha tenuto un meraviglioso rapporto di premiazione in loco.
I ricercatori hanno anche affrontato un secondo fattore che influenza l’incertezza dell’orologio: la correzione dinamica della radiazione del corpo nero. La radiazione del corpo nero può influenzare i livelli energetici degli atomi attraverso i loro campi elettrici, una conseguenza inevitabile del funzionamento degli orologi in un ambiente a temperatura ambiente. La componente dinamica di questo effetto si riferisce allo spostamento di frequenza differenziale tra i livelli di energia atomica. Nelle generazioni precedenti di orologi a reticolo ottico allo stronzio, la precisione era particolarmente limitata3P0Incertezza nello spostamento del livello energetico (il maggiore dei due stati che definiscono la transizione dell'orologio). L'entità di questo spostamento di frequenza è correlata a una transizione all'interno dello spettro energetico della radiazione del corpo nero, cioè3P0e livelli energetici più elevati3D1La transizione tra il3D1determinato dalla durata della vita dello Stato. Effettuando queste misurazioni, il team ha migliorato l’incertezza nello spostamento della radiazione del corpo nero rispetto al precedente 1,5 × 10-18Ridotto a 7,3×10-19. Combinando la riduzione dell’incertezza dello spostamento di frequenza della radiazione del corpo nero con altri controlli ambientali come la stabilizzazione della temperatura, i ricercatori hanno determinato che tutti gli effetti del sistema contribuivano all’incertezza totale dei livelli di energia di transizione dell’orologio a meno di 1 × 10-18。Per controllare e misurare gli atomi nell’orologio a reticolo ottico, i ricercatori hanno utilizzato anche un reticolo ottico con una “lunghezza d’onda magica”. In una trappola a reticolo ottico, i livelli energetici degli atomi possono variare a causa dell'influenza del campo elettrico del raggio laser. Tuttavia, in un pozzo di potenziale manipolato a lunghezze d'onda magiche, il pozzo di potenziale è lo stesso indipendentemente dallo stato elettronico degli atomi. Ciò significa che gli spostamenti di frequenza relativi del livello di energia indotti dal raggio laser tra gli stati di transizione dell'orologio sono ridotti al minimo, il che aiuta a rendere la larghezza di linea della transizione quanto più stretta possibile. I ricercatori hanno anche incorporato una procedura di raffreddamento che ha permesso loro di utilizzare un reticolo poco profondo per confinare gli atomi. Quando gli atomi sono più strettamente confinati, lo spostamento di frequenza nei livelli energetici causato dal raggio laser è maggiore, quindi il potenziale superficiale minimizza questo spostamento di frequenza.Questi metodi consentono al loro dispositivo di superare la precisione di tutti i precedenti orologi a reticolo luminoso, misurando il tempo con un errore inferiore a un secondo in 39,6 miliardi di anni. Le implicazioni di questo miglioramento sono di vasta portata. Ad esempio, insieme ai progressi del team del Colorado, una nuova generazione di strumenti potrebbe stabilire un nuovo punto di riferimento per la definizione di un secondo. Gli sforzi futuri potrebbero concentrarsi sul miglioramento di queste tecniche per ridurre ulteriormente le incertezze attraverso, ad esempio, il funzionamento criogenico. Questa tecnologia di misurazione ad altissima precisione può essere utilizzata per studiare questioni fondamentali all’avanguardia della fisica, come la possibilità di rivelare la natura quantistica della gravità e la natura della materia oscura attraverso l’osservazione delle onde gravitazionali.
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Mozi Salon è ospitato dallo Shanghai Research Institute dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina e dal Nanqi Quantum Science and Technology Exchange Center nella Pudong New Area. È supportato dalla New Alumni Foundation dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina. la Fondazione per l'Istruzione dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, l'Associazione della Scienza e della Tecnologia della Nuova Area di Pudong, l'Associazione Cinese per la Scienza e la Tecnologia e sostenuta dal Comitato economico e scientifico della Nuova Area di Pudong.
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