In cima a due montagne hawaiane, il NIST si dimostra ultra

Sep 14, 2023

La precisione del cronometraggio svolge un ruolo vitale nella sincronizzazione di numerosi sistemi in tutto il mondo, dalle telecomunicazioni e dalle reti elettriche al rilevamento di precisione e alla ricerca scientifica. Tradizionalmente questo processo viene ottenuto comunicando con i satelliti che utilizzano orologi atomici. Questi orologi possono leggere l'ora leggendo le frequenze di risonanza degli atomi di alcuni elementi come il cesio e il rubidio.

La prossima generazione di questa tecnologia, nota come orologio ottico, sfrutta elementi che hanno frequenze di risonanza più elevate, come lo stronzio e l’itterbio, e richiede sistemi laser per la misurazione. Ancora più importante, gli orologi ottici offrono un livello molto più elevato di precisione nel cronometraggio.

Questo articolo esamina un nuovo processo recentemente sviluppato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) per sincronizzare gli orologi ottici senza dover sacrificare la fedeltà.

L’anno scorso, sulle cime delle montagne delle Hawaii, un team di ricercatori del NIST ha condotto un esperimento per il trasferimento ottico del tempo nella speranza di sviluppare un metodo affidabile che possa aiutare le reti spaziali libere su larga scala a interconnettere gli orologi ottici esistenti a terra e lo spazio futuro. orologi ottici.

I ricercatori hanno posizionato un modulo laser sul vulcano Mauna Loa, puntato verso un riflettore situato sul picco Haleakala a Maui. Su una distanza di circa 150 chilometri, gli scienziati hanno trasmesso nell’aria un segnale temporale estremamente preciso a livelli di potenza che potrebbero essere compatibili con le future missioni spaziali.

I ricercatori suggeriscono che questo sistema potrebbe consentire il trasferimento del tempo dalle stazioni terrestri ai satelliti posizionati a 36mila chilometri sopra la Terra (in orbita geosincrona), sincronizzando efficacemente gli orologi ottici con una precisione del femtosecondo (un quadrilionesimo di secondo). Secondo il NIST ciò comporterebbe una precisione circa 10mila volte superiore rispetto agli approcci più avanzati. Inoltre, il loro sistema può funzionare utilizzando solo la potenza minima del segnale temporale senza perdere alcuna fedeltà, rendendolo estremamente robusto nel mitigare i disturbi atmosferici.

La sincronizzazione degli strumenti su grandi distanze con questo tipo di precisione apre un tesoro di nuove possibilità, in particolare nel campo della fisica, fornendo agli scienziati un percorso verso una comprensione più profonda della struttura dell’universo. Ad esempio, questo metodo può aiutare a testare la relatività generale e persino fornire informazioni sulla composizione della materia oscura. Al di fuori degli orologi ottici, il collegamento di array di sensori situati a grandi distanze l’uno dall’altro può far avanzare l’interferometria di base molto lunga (VLBI), che potrebbe essere utilizzata per migliorare l’imaging del buco nero.

Il metodo del NIST per collegare i satelliti agli orologi ottici situati ai lati opposti del mondo potrebbe ridefinire il secondo SI in uno standard ottico suddividendolo in parti ancora più piccole. Ciò è possibile grazie a un progresso noto come pettine di frequenza.

Un pettine di frequenza è una scoperta vincitrice del Premio Nobel spesso descritta come un righello per la luce in grado di produrre lunghezze d'onda molto finemente separate misurate con un elevato grado di precisione. Usando questa tecnologia, gli scienziati possono energizzare con precisione gli atomi negli orologi ottici e tradurre le frequenze oscillanti dei terahertz in frequenze più basse.

Per il loro esperimento, il team del NIST ha sviluppato una versione migliorata del pettine di frequenza, soprannominato pettine di frequenza programmabile nel tempo. Secondo Laura Sinclair, fisica del campus Boulder del NIST e una degli autori dell'articolo, questo metodo infrange la regola dei pettini di frequenza, che richiedono l'uso di una spaziatura fissa degli impulsi per operazioni di precisione, consentendo agli scienziati di ottenere risultati estremamente accurati. risultati anche quando un sistema ha solo poca luce con cui lavorare.

Grazie al pettine di frequenza programmabile nel tempo, i ricercatori potrebbero inviare il segnale da Mauna Loa a Haleakala in un viaggio di andata e ritorno di 300 chilometri utilizzando solo 40 microwatt di potenza e solo la potenza minima del segnale necessaria per sincronizzare i dispositivi (noto come limite quantistico). . In questo esperimento, il segnale è penetrato in più disturbi atmosferici di quanti ne avrebbe mai incontrato durante un potenziale viaggio dalla terra all’orbita geosincrona.