Gli scienziati stanno cercando di creare una rete globale di orologi atomici che ci consentirà, tra le altre cose, di comprendere meglio le leggi fondamentali della fisica, indagare sulla materia oscura e navigare sulla Terra e nello spazio in modo più preciso. Tuttavia, per essere al massimo della loro efficacia, questi orologi dovranno essere collegati tra loro in modo affidabile e rapido attraverso strati dell'atmosfera, il che è tutt'altro che facile. Una nuova ricerca delinea un esperimento di successo con un raggio laser che è stato mantenuto stabile su una distanza di 2,4 chilometri.
Per fare un confronto, il nuovo collegamento è circa 100 volte più stabile di qualsiasi cosa sia stata messa insieme prima. Dimostra anche una stabilità che è circa 1.000 volte migliore degli orologi atomici per cui questi laser potrebbero essere utilizzati per il monitoraggio.
"Il risultato mostra che le tecnologie di stabilizzazione di fase e ampiezza, presentate in questo articolo, possono fornire la base per un confronto ultra-preciso della scala temporale degli orologi atomici ottici attraverso l'atmosfera turbolenta", hanno scritto i ricercatori nel loro articolo.
Il sistema si basa su una ricerca condotta lo scorso anno in cui gli scienziati hanno sviluppato un collegamento laser in grado di resistere attraverso l'atmosfera con una stabilità senza precedenti. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sparato un raggio laser da una finestra del quinto piano a un riflettore a 1,2 chilometri di distanza. Il raggio è stato quindi rimbalzato alla sorgente per raggiungere la distanza totale per un periodo di cinque minuti.
Utilizzando tecniche di riduzione del rumore, controlli della temperatura e piccole regolazioni del riflettore, il team è stato in grado di mantenere il laser stabile attraverso le sacche di aria fluttuante. La turbolenza atmosferica a livello del suolo qui è probabile che equivalga a una turbolenza terra-satellite (l'aria è più calma e meno densa più in alto nell'atmosfera) di diverse centinaia di chilometri.
Mentre la precisione del laser è rimasta abbastanza costante per un decennio o giù di lì, abbiamo visto alcuni miglioramenti significativi di recente, tra cui una configurazione laser gestita dalla Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) Collaboration e testata lo scorso marzo.
Tale configurazione ha coinvolto un laser a impulsi piuttosto che il laser a onda continua testato in questo nuovo studio. Entrambi hanno i loro vantaggi in diversi scenari, ma i laser a onda continua offrono una migliore stabilità e possono trasferire più dati in un determinato periodo di tempo. "Entrambi i sistemi battono l'attuale migliore orologio atomico, ma la nostra massima precisione è migliore", ha affermato l'astrofisico David Gozzard della University of Western Australia.
Una volta che una rete di orologi atomici sarà messa insieme, tra i test che gli scienziati saranno in grado di eseguire c'è la teoria generale della relatività di Einstein e come potrebbe essere risolta la sua incompatibilità con ciò che sappiamo sulla fisica quantistica.
Confrontando in modo molto preciso il cronometraggio di due orologi atomici, uno sulla Terra e uno nello spazio, gli scienziati sperano alla fine di essere in grado di capire dove la relatività generale regge e dove invece non regge.
Se le idee di Einstein sono corrette, l'orologio più lontano dalla gravità terrestre dovrebbe ticchettare sempre più velocemente. Ma la sua utilità non si ferma qui. Laser come questo potrebbero eventualmente essere utilizzati per gestire il lancio di oggetti in orbita, per le comunicazioni tra la Terra e lo spazio o per collegare due punti nello spazio.