Il tempo è atomico. Breve storia della misura del tempo (2013) by Davide Calonico Riccardo Oldani

autore:Davide Calonico, Riccardo Oldani [Davide Calonico, Riccardo Oldani]
La lingua: ita
Format: epub
editore: Hoepli
pubblicato: 2015-08-14T22:00:00+00:00

Figura 2.10

Evoluzione dell’accuratezza degli orologi atomici. In nero si vedono gli orologi al cesio, in grigio la retta delle misure ottiche che hanno portato gli orologi ottici a superare quelli al cesio. Sono indicati due momenti storici importanti: l’avvento delle fontane di cesio e quello dei pettini ottici di frequenza.

Il Nobel 2012: orologi ottici e computer quantistico

David J. Wineland ha dato un contributo eccezionale allo sviluppo delle tecniche di raffreddamento laser. Allievo di Ramsey e di Dehmelt, ha anche realizzato, insieme con il collega James Bergquist, l’orologio a ione di mercurio del NIST, che viene quotato di un’accuratezza pari a 7×10-18. Ma il Nobel gli è stato assegnato per “gli innovativi metodi sperimentali che rendono possibile la misurazione e la manipolazione di sistemi quantici individuali”. In altre parole, per aver penetrato così a fondo i misteri del mondo quantistico da piegarli al controllo della scienza, e volgerli alla realizzazione di orologi ultraprecisi, ma anche alla nuova frontiera del computer quantistico.

Il risultato più avanzato dei suoi studi è l’orologio a ioni di alluminio Al+,25 con un’accuratezza stimata di poche parti in 10-18. La particolarità dell’Al+ è il fatto che la transizione di orologio mostra un’incredibile refrattarietà all’interazione con il mondo, aspetto che rende lo strumento quanto di più vicino attualmente ci sia a un sistema quantistico imperturbato. Una seconda caratteristica fondamentale dell’Al+ è che non si può raffreddare con le tecniche ordinarie del raffreddamento laser. Questo problema, apparentemente insormontabile, è stato risolto con perizia dal gruppo di Wineland, consegnandoci un sistema quantistico pressoché perfetto per controllare e sfruttare le magie del microcosmo.

Il raffreddamento è ovviamente necessario, altrimenti l’agitazione termica renderebbe il sistema atomico non accurato né ben manipolabile. Parliamo di agitazione proprio per la stretta connessione che, nel mondo atomico, si verifica tra calore e movimento: più gli atomi sono mobili, più elevata è la loro temperatura. Per raffreddarli occorre quindi cercare in qualche modo di immobilizzarli, impresa complessa, ma realizzata molto bene dai laser usati per il super raffreddamento.

Senza addentrarci in troppi dettagli tecnici, per capire il funzionamento basta pensare alla similitudine del tennista. I sistemi laser per il raffreddamento degli atomi bombardano le particelle con fotoni da sei direzioni diverse. È come se sei macchine lanciassero tutte insieme contro un tennista centinaia di migliaia di palline da tennis: sommati insieme gli impatti rallenterebbero gli spostamenti del nostro atleta fin quasi a fermarlo. Con gli atomi, una volta ridotti al minimo movimento ed energia cinetica con questo sistema, otteniamo nello stesso tempo il risultato di eliminare anche quasi tutta l’energia termica.

Per quanto riguarda lo ione alluminio Al+, che si sottrae all’effetto frenante dei fotoni sparati dai laser per il raffreddamento, il gruppo di Wineland ha messo a punto una tecnica molto efficace di “raffreddamento simpatetico”, in cui nella medesima struttura coesistono due specie atomiche: l’Al+, appunto, e il berillio ione Be+. O meglio, inizialmente era il Be+ e ora lo si sta sostituendo con il Mg+, ma è un dettaglio. Il Be+ è un sistema raffreddabile con tecniche laser standard:

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