Ancora una volta la corsa per costruire l'orologio atomico più piccolo del mondo

Sep 22, 2023

24 agosto 2023

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di Troy Rummler, Sandia National Laboratories

Yuan-Yu Jau è alla ricerca di costruire l'orologio atomico più piccolo del mondo, un dispositivo che misura il tempo con estrema precisione. In caso di successo, lui e il suo team a Sandia ne avranno realizzato uno più piccolo di una zolletta di zucchero.

Ma non è l'unico a spingere i limiti dei piccoli orologi.

L’anno scorso, la Defense Advanced Research Projects Agency ha sfidato i team di ricerca a costruire orologi più piccoli e più accurati. Yuan-Yu è a capo del team Sandia impegnato in questo sforzo.

"Vogliono 1 centimetro cubo per ogni cosa, e attualmente non esiste un orologio atomico con questo tipo di dimensioni", ha detto Yuan-Yu, il cui design principale è ancora più piccolo: circa 1 centimetro di lunghezza e appena 2 millimetri di larghezza e altezza, per un grande risultato. totale di 0,04 centimetri cubi. La DARPA ha richiesto che i dispositivi fossero accurati entro un milionesimo di secondo dopo una settimana.

Sandia ha esperienza nella costruzione di orologi compatti. All'inizio degli anni 2000, i laboratori hanno contribuito a sviluppare l'orologio atomico su scala di chip, che è poco più grande di una scatola di fiammiferi, ovvero circa 17 centimetri cubi. All'epoca, il CSAC era l'orologio atomico più piccolo del mondo, ed è ancora il più piccolo che si possa acquistare.

L'orologio atomico fu inventato nel 1948 presso quello che allora era il National Bureau of Standards degli Stati Uniti, ora National Institute of Standards and Technology. Invece di misurare il tempo tramite eventi astronomici come la rotazione della Terra, o con mezzi meccanici come ingranaggi, molle o pendoli, misurava il tempo tramite segnali elettromagnetici emessi dagli elettroni attorno a un atomo, rendendolo incredibilmente preciso.

Gli orologi atomici hanno aperto la strada al GPS, che si basa su orologi sincronizzati e super precisi.

Ironicamente, la DARPA sta ora studiando orologi piccoli e precisi per aiutare i veicoli a navigare quando il GPS non è disponibile. Funziona come potresti calcolare la distanza guidando un'auto su un lungo tratto di autostrada. Se guidi a una velocità costante di 60 miglia orarie, dopo un'ora saprai di aver percorso 60 miglia. Un orologio affidabile è metà dell'equazione.

Per le applicazioni di difesa, la navigazione deve essere estremamente precisa. La DARPA è alla ricerca di orologi accurati al milionesimo di secondo per un massimo di una settimana. Mentre i migliori orologi al mondo sono macchine di grandi dimensioni in grado di mantenere questa precisione per decine di migliaia di anni, le versioni tascabili sono meno precise. Gli obiettivi di Sandia e DARPA sono di essere 30 volte più precisi degli attuali orologi all'avanguardia su piccola scala.

L'agenzia richiede inoltre miglioramenti nel consumo energetico e nella sensibilità alla temperatura e alle vibrazioni.

"Questo è molto più impegnativo di quello che le persone hanno fatto finora", ha detto Yuan-Yu.

La riduzione di dimensioni, peso e potenza rende i sistemi di navigazione avanzati più facili da utilizzare in diversi tipi di veicoli, dalle navi militari ai droni e ai satelliti.

Yuan-Yu è fiducioso che lui e il suo team possano costruire il dispositivo. In un certo senso, lo ha già fatto.

Sedici anni fa, allora insegnante di fisica all'Università di Princeton, costruì il suo primo prototipo di quello che chiamò oscillatore atomico laser. Aveva le dimensioni di una cassetta degli attrezzi, ma svolgeva la stessa azione di base di un orologio atomico. Produceva un impulso costante, simile a un orologio, derivato dal puntamento di un laser attraverso una nuvola di atomi di potassio.

È importante sottolineare che era autonomo. L'oscillatore non richiedeva apparecchiature elettroniche esterne per controllare l'impulso periodico della macchina.

L'hardware di supporto è comune in molti tipi di orologi atomici e di solito occupa la maggior parte dello spazio. Se rimuovessi l'elettronica di supporto da un CSAC delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, scoprirai che il ticchettio fisico avviene in un pacchetto delle dimensioni solo di un chicco di riso.