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I secondi vengono ridefiniti

Con il sostegno finanziario dell’UE, gli specialisti di orologi ottici hanno compiuto progressi significativi verso un orologio portatile ad alta precisione che può essere usato per ridefinire i secondi al più basso livello di incertezza possibile.
I secondi vengono ridefiniti
Quando il Sistema Internazionale di unità di misura (SI) è stato formalizzato, la durata del secondo è stata definita dal tempo effemeride. La misurazione della frequenza di transizione relativa allo stato fondamentale del cesio ha offerto una nuova definizione più accurata al fine di sostituire il tempo effemeride per il secondo.

Nel corso degli anni, è apparsa una nuova generazione di orologi atomici basata su transizioni ottiche e la loro frequenza imperturbata ha garantito accuratezza, superando le precedenti realizzazioni del secondo in relazione al SI. Per convalidare e integrare questi orologi ottici al sistema internazionale del tempo, sono necessari confronti diretti tra orologi ottici, con una precisione raggiungibile solo mediante comparazioni in situ. Sebbene siano stati creati collegamenti di frequenza in fibra con incertezza estremamente bassa, solo un numero limitato di tali collegamenti sono disponibili per tali confronti. Inoltre, l’incertezza nella forma del geoide colpisce tutti i confronti a distanza per via dello spostamento verso il rosso gravitazionale, e la precisione di tutti i confronti a distanza è quindi limitata.

I ricercatori hanno avviato il progetto CLOCKLIGHT (Light for clocks), finanziato dall’UE, con l’obiettivo di costruire componenti per un orologio portatile, così da operare tali confronti. All’interno della durata di tre anni del progetto, sono stati affrontati severi requisiti di compattezza e robustezza in tutte le parti dell’orologio, in particolare riguardo alle sorgenti luminose.

La maggior parte degli ioni negli orologi ottici hanno una struttura atomica simile ai metalli alcalini. Il team CLOCKLIGHT ha studiato l’impiego di ioni stronzio, in particolare dello ione 88Sr+.

Tutti gli orologi ottici richiedono necessariamente un blocco laser relativamente complicato per caricare la trappola ottica e guidare la sequenza di misurazione, in cui lo ione viene prima raffreddato, la transizione di temporizzazione subisce un’eccitazione, e infine viene rilevato lo stato dello ione. Uno ione 88Sr+ viene raffreddato e rilevato mediante laser che guidano la transizione da 2S1/2 a 2P1/2 e la transizione del quadrupolo da 2S1/2 a 2D5/2, rispettivamente.

Per il caricamento della trappola ottica, viene utilizzata una fotoionizzazione a due fasi in base a una combinazione a banda larga e sorgenti laser a banda stretta per portare lo ione a uno stato auto-ionizzante. Per il raffreddamento dello ione è stato costruito un laser blu stabilizzato con pettine di frequenza, e per mantenere lo ione nel ciclo di raffreddamento è stato proposta una sorgente di luce incoerente ridistribuita non polarizzata per impedire l’accumulo di stati scuri anche in caso di campi magnetici nulli.

La sorgente luminosa proposta è stata assemblata in laboratorio ed è costituita da un diodo laser pompa e da altri componenti in fibra ottica standard. Il fatto che non sia richiesta stabilizzazione di frequenza o modulazione di polarizzazione esterna ha offerto semplicità e affidabilità di funzionamento. La luce emessa è polarizzata e la coerenza spaziale è simile a quella di un laser. Tale sorgente può quindi essere focalizzata a un diametro del punto luminoso richiesto per l’intrappolamento di ioni. Inoltre, queste caratteristiche uniche rendono tale sorgente luminosa adatta per un orologio ottico a ioni portatile.

Tuttavia, un orologio atomico operativo ha bisogno di un laser interrogatore per sondare la transizione di temporizzazione. E poiché la transizione di temporizzazione è molto ristretta, i ricercatori hanno sviluppato una complessa stabilizzazione multistadio di diodi laser i quali promettono una sufficiente purezza spettrale.

Le prestazioni di tutti i nuovi componenti per un orologio atomico portatile saranno valutate quando l’orologio a singolo ione presso il MIKES (Centre for Metrology and Accreditation) sarà operativo.

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Keywords

Secondo, orologio portatile, orologi atomici, CLOCKLIGHT, ioni di stronzio, emissione spontanea amplificata