Gli orologi sincronizzati con precisione aprono la strada alla nuova scienza

Nov 03, 2023

Dagli orologi a pendolo del XVII secolo ai cronometri all'avanguardia basati sulle transizioni atomiche, la capacità umana di segnare il tempo si è evoluta notevolmente. I ricercatori hanno ora fatto un ulteriore passo avanti e hanno dimostrato che due orologi possono essere perfettamente sincronizzati su una distanza di diverse centinaia di chilometri utilizzando molta meno energia di quella necessaria in precedenza. Questo progresso apre la strada alla creazione di reti di orologi sincronizzati terrestri e spaziali, che potrebbero facilitare le indagini geodetiche della struttura della Terra e la ricerca della materia oscura e delle onde gravitazionali.

"È piuttosto divertente quando hai così tante cifre."

La maggior parte delle persone, fatta eccezione forse per gli atleti d'élite, non pensa a periodi di tempo inferiori a un secondo. Ma Laura Sinclair, fisica del National Institute of Standards and Technology di Boulder, in Colorado, si occupa regolarmente di un regno del tempo completamente diverso: i femtosecondi. Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo (quadrilionesimo) di secondo, ovvero 15 cifre dopo la virgola decimale. Anche i programmi per computer spesso hanno difficoltà a gestire questo livello di precisione, ha affermato Sinclair. "È piuttosto divertente quando hai così tante cifre."

Sinclair e i suoi colleghi hanno ora condotto un esperimento alle Hawaii utilizzando impulsi di luce laser per sincronizzare in modo preciso ed efficiente due orologi fino al livello degli attosecondi, i fratelli ancora più brevi dei femtosecondi.

Un altro gruppo di ricercatori ha recentemente dimostrato un collegamento simile su una distanza di 113 chilometri, ma il loro esperimento richiedeva quantità molto, molto maggiori di energia e strumentazione specializzata per compensare la turbolenza atmosferica.

Nel nuovo esperimento, Sinclair e i suoi collaboratori hanno lavorato presso l'Osservatorio di Mauna Loa, una stazione di ricerca atmosferica sul fianco nord del Mauna Loa sulla Grande Isola delle Hawaii. Il team ha puntato due laser, ciascuno dei quali produce impulsi di luce 200 milioni di volte al secondo, verso un piccolo telescopio situato sulla cima dell'Haleakalā a Maui. L'ottica modificata del telescopio rifletteva la luce verso Mauna Loa, un viaggio di andata e ritorno di circa 300 chilometri, e Sinclair e i suoi colleghi hanno registrato i tempi di arrivo dei singoli impulsi, che funzionano come i "ticchettii" di un orologio molto preciso.

Come gli astronomi che lavorano sul vicino Mauna Kea, i ricercatori hanno raccolto i dati principalmente di notte. Ma la luce del sole non era ciò che Sinclair e i suoi colleghi speravano di evitare; invece, la squadra ha cercato di eludere le nuvole. Ogni mattina, le nuvole tendono a salire fino all'altezza dell'Osservatorio di Mauna Loa (circa 3.400 metri) prima di ricadere sotto l'osservatorio tra le 17 e le 22. Un debole raggio laser non può competere con le nuvole, ha detto Sinclair. "Centocinquanta chilometri di nuvole sono sufficienti per fermare il tuo raggio laser nel vicino infrarosso."

I ricercatori hanno sincronizzato l'uscita dei loro due laser con una precisione di 0,32 femtosecondi (320 attosecondi). Ciò è paragonabile alla precisione ottenuta con un approccio diverso, ma i laser utilizzati da Sinclair e dai suoi collaboratori erano alimentati da appena 270 femtowatt, o 270 milionesimi di miliardesimo di watt. In precedenza erano necessarie decine di nanowatt di energia, quindi questi nuovi risultati rappresentano un miglioramento di circa 10.000 volte nel consumo di energia.

"La cosa davvero impressionante qui è la poca energia che hanno usato."

Questa efficienza, che si avvicina al cosiddetto limite quantistico, rende possibile sincronizzare il tempo utilizzando hardware più piccolo, un progresso fondamentale per collegare un giorno gli orologi terrestri e quelli situati in orbita molto al di sopra della Terra.

Il progresso è stato reso possibile da uno strumento noto come pettine di frequenza programmabile nel tempo, sviluppato da Sinclair e dai suoi colleghi. Il dispositivo modifica la velocità con cui un laser pulsa, ha detto Sinclair. “Possiamo regolare dinamicamente il tempo e la fase di output con una precisione a livello di attosecondi”. Ciò a sua volta ha permesso ai ricercatori di utilizzare tutta la luce ricevuta per sincronizzare i segnali pulsati, invece di buttarne via la maggior parte, come veniva fatto in precedenza. Quando un esperimento spreca luce, è necessario inviare più fotoni, il che richiede energia. Sinclair e il suo team hanno riportato i loro risultati su Nature.