Una rivoluzione silenziosa sta prendendo forma nei laboratori di fisica atomica, dove migliaia di atomi ultrafreddi vengono intrappolati in griglie di luce laser per creare orologi di precisione straordinaria. Questi dispositivi, noti come orologi a reticolo ottico, potrebbero presto ridefinire completamente la nostra comprensione del tempo e aprire nuove frontiere nella ricerca fisica fondamentale. La loro importanza trascende la semplice misurazione temporale, estendendosi allo studio delle costanti fisiche universali e dei fenomeni più sottili dell'universo.
La rivoluzione dello stronzio: 118 secondi di coerenza perfetta
I ricercatori del JILA, un istituto congiunto tra il National Institute of Standards and Technology e l'Università del Colorado, insieme ai colleghi dell'Università di Chicago, hanno raggiunto un traguardo che sembrava impensabile fino a pochi anni fa. Il loro orologio a reticolo ottico basato su atomi di stronzio ha mantenuto la coerenza atomica per ben 118 secondi, stabilendo un nuovo record mondiale. Per comprendere l'importanza di questo risultato, basta pensare che la coerenza atomica rappresenta il tempo durante il quale gli atomi mantengono le loro oscillazioni quantistiche senza essere disturbati dal rumore ambientale.
Kyungtae Kim, primo autore dello studio pubblicato su Physical Review Letters, spiega che questo risultato è frutto di anni di perfezionamenti: "Abbiamo spinto le prestazioni dell'orologio a reticolo ottico grazie a un importante aggiornamento realizzato tra il 2019 e il 2021". L'instabilità atomica raggiunta è di appena 1,5×10–18 in un secondo, un valore che rappresenta una precisione quasi inimmaginabile.
La sfida della densità atomica e il trucco della gravità
Il cuore dell'innovazione risiede in una strategia ingegnosa per gestire il paradosso fondamentale degli orologi atomici: servono molti atomi per ridurre il rumore quantistico, ma un numero elevato di atomi aumenta le collisioni e limita la coerenza. La soluzione adottata dal team prevede l'utilizzo di un grande volume di intrappolamento ottenuto con una cavità ottica, che riduce significativamente la densità atomica.
Ma l'elemento più innovativo è l'allineamento del reticolo ottico lungo la direzione della gravità. Questa configurazione crea quello che i fisici chiamano un potenziale di reticolo inclinato, simile a una "scala a gradini" inclinata. Grazie all'effetto di localizzazione di Wannier-Stark, questa disposizione rende più difficile il movimento degli atomi anche quando sono intrappolati in siti meno profondi.
Interazioni atomiche: il nemico nascosto della precisione
L'analisi dettagliata condotta dal team ha rivelato i meccanismi fisici che limitano le prestazioni degli orologi a reticolo ottico. Kim chiarisce che "gli atomi all'interno dello stesso sito del reticolo si comportano come fermioni identici e interagiscono solo attraverso interazioni p-wave". Tuttavia, esistono due fonti di interazioni s-wave che possono compromettere la coerenza: le interazioni tra siti diversi e quelle con atomi "spettatori" creati quando i fotoni del reticolo disperdono gli atomi in altri stati di spin nucleare.
La ricerca ha identificato due regimi distinti di limitazione delle prestazioni. A profondità di reticolo ridotte, dominano le interazioni s-wave inter-sito, mentre a profondità maggiori diventano prevalenti le interazioni con gli atomi spettatori generati dalla dispersione dei fotoni del reticolo.
Verso nuove frontiere: interferometria atomica e misurazioni gravitazionali
Le implicazioni di questo lavoro si estendono ben oltre il semplice miglioramento della misurazione del tempo. Il team ha dimostrato una capacità di misurazione differenziale della frequenza che raggiunge una risoluzione del redshift gravitazionale sotto la scala di 1 millimetro. Questo significa poter rilevare variazioni temporali causate dalla gravità su distanze incredibilmente piccole, aprendo possibilità inedite per la ricerca in fisica fondamentale.
Kim anticipa sviluppi futuri entusiasmanti: "Siamo ora entusiasti della prospettiva di combinare l'interferometria atomica per la gravimetria con gli orologi atomici per le misurazioni di redshift all'interno della stessa piattaforma sperimentale". Questa convergenza di tecnologie potrebbe rivoluzionare sia la misurazione del tempo che quella delle forze gravitazionali.
Il lavoro del team non si limita alla dimostrazione di record di precisione, ma fornisce una comprensione dettagliata dei meccanismi che governano questi sistemi quantistici complessi. Questa conoscenza approfondita rappresenta la base per sviluppare la prossima generazione di orologi ottici ancora più stabili e precisi, strumenti che potrebbero trasformare la nostra comprensione delle leggi fisiche fondamentali e delle loro possibili variazioni nel tempo e nello spazio.