Nel mondo frenetico di oggi, ogni volta che controlliamo l'ora sullo smartphone o utilizziamo il GPS per navigare, dipendiamo inconsapevolmente da una tecnologia straordinaria: gli orologi atomici. Questi dispositivi di precisione estrema potrebbero presto raggiungere livelli di accuratezza inimmaginabili grazie a una scoperta rivoluzionaria del MIT. I ricercatori americani hanno sviluppato una tecnica innovativa che potrebbe trasformare radicalmente il modo in cui misuriamo il tempo, aprendo prospettive affascinanti per la ricerca di materia oscura e persino per la previsione dei terremoti.
Il cuore pulsante degli orologi atomici
Per comprendere l'importanza di questa scoperta, bisogna prima capire il funzionamento degli orologi atomici. Questi strumenti misurano il tempo basandosi sulle oscillazioni naturali degli atomi, che "ticchettano" a frequenze estremamente stabili. Gli orologi atomici attuali utilizzano atomi di cesio, che oscillano oltre 10 miliardi di volte al secondo, con ogni singolo "tic" monitorato da laser che oscillano in sincronia a frequenze microonde.
La nuova generazione di orologi atomici punta su atomi ancora più veloci, come l'itterbio, capaci di essere tracciati con laser a frequenze ottiche superiori. Se mantenuti stabili, questi orologi ottici potrebbero monitorare intervalli temporali fino a 100 trilioni di volte per secondo, una precisione che fa impallidire qualsiasi cronometro convenzionale.
La sfida del rumore quantistico
Il team guidato da Vladan Vuletić, professore di fisica al MIT, ha affrontato uno dei problemi più ostici nella costruzione di orologi atomici ultra-precisi: il rumore quantistico. Questo fenomeno, causato dagli effetti della meccanica quantistica, offusca le oscillazioni pure degli atomi come una nebbia che impedisce di vedere chiaramente un paesaggio distante.
La soluzione è arrivata attraverso quello che i ricercatori hanno battezzato "spettroscopia di fase globale". Questo metodo sfrutta un effetto del laser sugli atomi che fino a oggi era considerato irrilevante per il funzionamento degli orologi. Come spiega Leon Zaporski, primo autore dello studio: "Il laser alla fine eredita il ticchettio degli atomi, ma perché questa eredità si mantenga a lungo, il laser deve essere molto stabile".
L'entanglement quantistico al servizio del tempo
La ricerca si basa su lavori precedenti del 2020, quando il team di Vuletić dimostrò che un orologio atomico poteva diventare più preciso attraverso l'entanglement quantistico degli atomi. Questo fenomeno fisico permette alle particelle di comportarsi in modo collettivo e altamente correlato, ridistribuendo il rumore in maniera da rivelare un "tic" più chiaro e misurabile.
Gli scienziati hanno raffreddato e intrappolato diverse centinaia di atomi di itterbio in una cavità formata da due specchi curvi. Inviando un laser nella cavità, che rimbalza migliaia di volte tra gli specchi interagendo con gli atomi, sono riusciti a creare l'entanglement dell'insieme atomico.
Una scoperta nelle pieghe dell'apparente irrilevanza
La vera svolta è arrivata quando i ricercatori hanno realizzato che la luce inviata attraverso gli atomi intrecciati causa un fenomeno particolare: gli atomi saltano a livelli energetici superiori per poi tornare al loro stato originale, conservando però la memoria del loro "viaggio". Come sottolinea Vuletić: "Si potrebbe pensare che non abbiamo fatto nulla. Si ottiene questa fase globale degli atomi, che di solito è considerata irrilevante. Ma questa fase globale contiene informazioni sulla frequenza del laser".
Qi Liu, coautore dello studio, chiarisce il meccanismo: "In definitiva, stiamo cercando la differenza tra la frequenza del laser e la frequenza di transizione atomica. Quando questa differenza è piccola, viene sommersa dal rumore quantistico. Il nostro metodo amplifica questa differenza al di sopra del rumore quantistico".
Verso orologi atomici portatili
I risultati sperimentali sono stati impressionanti: attraverso l'entanglement, il team è riuscito a raddoppiare la precisione del loro orologio atomico ottico. Come evidenzia Zaporski: "Abbiamo visto che ora possiamo risolvere una differenza quasi due volte più piccola nella frequenza ottica, senza imbatterci nel limite del rumore quantistico".
Le implicazioni di questa scoperta vanno ben oltre la semplice misurazione del tempo. Vuletić immagina un futuro in cui orologi atomici ottici portatili potranno essere trasportati in varie località per misurare fenomeni di ogni tipo: "Con questi orologi, la gente sta cercando di rilevare la materia oscura e l'energia oscura, di testare se esistono davvero solo quattro forze fondamentali, e persino di vedere se questi orologi possono predire i terremoti".
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, rappresenta un passo fondamentale verso la realizzazione di orologi atomici che potrebbero rivoluzionare non solo la misurazione del tempo, ma la nostra comprensione dell'universo stesso.