Stronzio da record

Dettaglio della camera da vuoto contenente gli atomi di stronzio e, in primo piano, i termometri di precisione. Crediti: Marti/JILA

Già state programmando le vacanze estive? Se volete guadagnare qualche frazione di secondo di vita, scegliete il mare: in montagna s’invecchia più in fretta. A dirlo non sono i medici, ma Albert Einstein: la colpa è infatti della dilatazione temporale gravitazionale, un effetto relativistico che fa correre il tempo un po’ più veloce là dove la gravità è meno intensa. Un po’ quanto? Be’, magari non abbastanza da indurvi a disdire la settimana in baita, ma comunque una quantità misurabile. Basti pensare che, avendo un orologio sufficientemente preciso, potremmo apprezzare come, tenendolo allacciato alla caviglia, le lancette corrano più lente rispetto a quando lo teniamo al polso, dove la gravità è più lieve. Ebbene, nell’ultimo numero di Nature Communications si riporta la realizzazione d’un orologio talmente preciso da registrare spostamenti rispetto al suolo di pochi centimetri.

È un orologio atomico con un’incertezza pari a due miliardesimi di miliardesimi d’unità di frequenza frazionaria: tradotto in linguaggio comune (o quasi), significa che se fosse stato avviato il giorno del Big Bang, oggi avrebbe accumulato un ritardo – o un anticipo – inferiore al secondo. Un record assoluto, raggiunto grazie a qualche migliaia d’atomi di stronzio impilati in un reticolo ottico. Una svolta tecnologica che apre le porte agli sviluppi più impensati, dai navigatori satellitari d’altissima precisione alla geodesia relativistica.

A mettere a punto questo inesorabile metronomo, le forze congiunte – sotto l’insegna comune del JILA – dei ricercatori del NIST (il National Institute of Standards and Technology statunitense) e della University of Colorado a Boulder. Per realizzarlo, hanno dispiegato praticamente tutte le tecnologie più all’avanguardia. Il reticolo ottico di confinamento degli atomi di stronzio – fra i 2000 e i 12000, disposti su una colonna di 30×30 micrometri – è ottenuto grazie a una luce laser rossa che, pulsando esattamente alla frequenza in grado di provocare la transizione fra livelli energetici, permette di rilevarne le oscillazioni – circa 430mila miliardi al secondo. Non solo: per abbattere gli effetti sistematici, i ricercatori hanno tenuto conto dei disturbi introdotti dalla radiazione di corpo nero dell’ambiente circostante, avvalendosi anche di termometri al platino calibrati ad hoc. E sono proprio queste misure “di contorno” ad aver fatto la differenza.

Uno sforzo immane, dunque, che però ha ampiamente ripagato. «Le prestazioni che abbiamo ottenuto sono tali che potremmo misurare lo spostamento gravitazionale corrispondente al sollevare l’orologio di appena 2 centimetri sulla superficie della Terra. Penso che ormai siamo davvero vicini a un’applicazione utile per la geodesia relativistica», dice uno dei coautori della ricerca, Jun Ye, del JILA, riferendosi all’idea di far ricorso a una rete d’orologi usati come sensori di gravità per effettuare misure di precisione in tre dimensioni della forma della Terra. Una possibilità che si potrà concretizzare, sostengono gli esperti, quando la sensibilità degli orologi sarà tale da consentire di rilevare spostamenti di un solo centimetro.

Insomma, sembra proprio che manchi pochissimo al poter disporre d’una sorta d’altimetri relativistici: strumenti in grado di registrare sotto i nostri occhi, mano a mano che ci spostiamo, la curvatura dello spaziotempo. Passando dalla relatività generale alla meccanica quantistica, la precisione dell’orologio allo stronzio promette inoltre grandi passi avanti nei laboratori di fisica sperimentale, in particolare per lo studio delle correlazioni quantistiche fra atomi.

Per saperne di più:

• Leggi su Nature Communications l’articolo “Systematic evaluation of an atomic clock at 2*10^18 total uncertainty”, di T.L. Nicholson, S.L. Campbell, R.B. Hutson, G.E. Marti, B.J. Bloom, R.L. McNally, W. Zhang, M.D. Barrett, M.S. Safronova, G.F. Strouse, W.L. Tew e J. Ye

Fonte: Media INAF | Scritto da Marco Malaspina