Ecco come funzionano gli orologi atomici, gli orologi più precisi in assoluto
Gli strumenti che ci aiutano a scandire e contare il trascorrere del tempo sono gli orologi, ma quelli atomici hanno senza dubbio una marcia in più: vediamo di cosa si tratta e come funzionano questi potenti marchingegni.
Come funzionano gli orologi atomici?
Svdmolen/Wikimedia commons - Public Domain
Se gli orologi da polso e domestici ci aiutano a conoscere l'orario e a ad essere puntuali, quelli atomici sono insuperabili: si tratta, infatti, degli strumenti di cronometraggio più precisi mai realizzati fino a oggi. Il loro margine di errore è di circa un solo secondo in un arco di cento milioni di anni: questi dispositivi, infatti, sono stati progettati per stimare la durata esatta di un secondo. Dal 1967, secondo il SI, Sistema Internazionale di Unità, un secondo è il tempo necessario a un atomo di cesio-122 per oscillare 9 miliardi, 192 milioni, 631 mila e 770 volte. Ma come funzionano esattamente gli orologi atomici?
In questi macchinari, le oscillazioni degli atomi agiscono come il pendolo di un orologio classico, ma con una precisione estremamente superiore. Sebbene esistano diverse tipologie di orologi atomici, il loro funzionamento è pressoché lo stesso: gli atomi vengono surriscaldati in un forno e accorpati su una trave. Ognuno di essi ha due stati energetici, detti livelli iperfini, e un campo magnetico si occupa di eliminare tutti gli atomi "B", lasciando solamente quelli "A". A questo punto, gli atomi dello stato A passano tramite un risonatore mentre subiscono radiazioni a microonde, trasformandosi in stato B. Un secondo campo magnetico rimuove gli atomi nello stato A residui, mentre un rilevatore calcola il numero di atomi diventati B, il quale dipende dalla frequenza del radiatore. Lo scopo è quello di sincronizzare la frequenza delle microonde con l'oscillazione degli atomi.
Orologi atomici, storia e tipologie
National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain
La precisione di questi dispositivi vede continui progressi e centinaia di orologi atomici nel mondo favoriscono il calcolo del TAI, il Tempo Atomico Internazionale. Il loro cronometraggio è ormai alla base di numerose tecnologie, tra cui satelliti GPS, computer e telecomunicazioni. Tuttavia, le continue ricerche di organizzazioni come il NIST e il JILA portano a costanti miglioramenti. L'orologio atomico è un'invenzione risalente al 1949 per opera del NIST, ma soltanto un ventennio più tardi ha conquistato un ruolo importante nel campo della tecnologia.
Intanto, gli scienziati del NIST hanno progettato orologi atomici di futura generazione con atomi diversi, compreso il mercurio, l'alluminio, il calcio, l'itterbio e lo stronzio, tutti in grado di offrire vantaggi differenti e aprire potenzialmente la strada a nuove tecnologie. La loro precisione sempre più sorprendente potrebbe essere applicata non solo al tempo, ma estendersi alla misurazione della gravità, della temperatura, dei campi magnetici e molto altro. Fino a qualche anno fa, il record di precisione apparteneva a un orologio sperimentale basato su un singolo ione di mercurio, seguito poi dagli ioni di alluminio e da dispositivi basati su atomi neutri freddi in reticoli ottici, di cui NIST e JILA sono leader. Questa tipologia racchiude migliaia di atomi di metalli pesanti in un reticolo composto da raggi laser che si intersecano tra loro. Il NIST, inoltre, ha messo a punto l'orologio atomico del calcio, che si è rivelato molto stabile, sebbene per brevi periodi di tempo, ma soprattutto portatile, il che lo ha reso appetibile a livello commerciale.
Orologio atomico allo stronzio, il più preciso in assoluto
National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain
Il requisito più importante per un orologio atomico, secondo i ricercatori, è la stabilità, ovvero la precisione con cui la durata di ciascun ticchettio dell'orologio è identica a tutti gli altri. Più un orologio è stabile, più questa corrispondenza può essere calcolata rapidamente. Attualmente, il più ampio progresso in questo senso è stato raggiunto con la modifica di un orologio atomico allo stronzio, che ha raggiunto livelli record sia si precisione che di stabilità: questo dispositivo è in grado di non perdere un secondo nell'arco di quindici miliardi di anni, che corrispondono all'incirca all'età dell'universo. Il suo incredibile cronometraggio può avere un impatto esponenziale sulle tecnologie avanzate e potrà essere applicato anche per il funzionamento di un altimetro sensibile per rilevare i cambiamenti di gravità e altri esperimenti che vanno al di là della misurazione del tempo. La precisione dell'orologio sperimentale a reticolo di stronzio del JILA, istituto congiunto del NIST e dell’Università del Colorado Boulder, è stata aumentata di tre volte nel giro di un anno. La stabilità, invece, è stata incrementata del 50%. La sua potenza ora è tale da misurare i cambiamenti nello scorrere del tempo e nella gravità ad altitudini leggermente diverse: come teorizzava Einstein, il ticchettio degli orologi aumenta in velocità ad altezze più elevate.
In questo strepitoso orologio, diverse migliaia di atomi di stronzio sono racchiusi in una colonna di 30x30 micrometri di circa quattrocento regioni composte dalla luce laser reticolo ottico. L'ultima modifica ha corretto errori relativi alla radiazione del corpo nero, ovvero il calore ambientale circostante, che alterava la risposta degli atomi alla luce laser. Per risolvere il problema, gli scienziati hanno inserito due termometri a resistenza al platino nella camera a vuoto dell'orologio e realizzato uno scudo antiradiazioni per proteggere la camera atomica, consentendo all'orologio di funzionare a temperatura ambiente e non criogeniche. I prossimi sviluppi potrebbero portare questi orologi a calcoli che vanno al di là del tempo, diventando strumenti sempre più precisi e potenti, in grado persino di sostituire le maree negli studi geomagnetici.