Gli orologi luminosi in rete gettano le basi per ridefinire il secondo

Elettronica

Redazione del sito web di Innovazione Tecnologica - 17/06/2025

Segnali di tempo e frequenza precisi sono essenziali per tecnologie come il GPS, la gestione delle reti elettriche e il mantenimento delle transazioni finanziarie. [Immagine: Lovisa Hakansson/Chalmers University of Technology]

Reimpostazione del secondo

Sembra chiaro che il futuro della misurazione del tempo appartiene agli orologi atomici ottici e l'interesse maggiore risiede nel ridefinire la nostra unità di tempo, il secondo , una costante del Sistema Internazionale di Unità.

Gli orologi atomici ottici rappresentano una nuova generazione di orologi atomici tradizionali, con la differenza principale che in essi i ticchettii sono definiti dalla frequenza di oscillazione della luce di un laser, e non da un atomo.

Oggi gli orologi ottici sono già circa 100 volte più precisi dei migliori orologi al cesio e misurano il tempo con una precisione tale che perderebbero o guadagnerebbero meno di un secondo nell'arco di miliardi di anni.

Per ridefinire il secondo, tuttavia, è necessario confrontare i dati di diversi orologi ottici, per verificare se funzionano come previsto e se concordano tra loro. A tal fine, i ricercatori hanno ora effettuato un confronto altamente coordinato di orologi ottici in sei paesi, nell'ambito di un ampio progetto collaborativo finanziato dall'Unione Europea.

"Confrontare più orologi simultaneamente e utilizzare più di un tipo di tecnologia di collegamento fornisce molte più informazioni rispetto ai confronti di orologi, per lo più a coppie, effettuati finora", ha affermato Thomas Lindvall del VTT Institute in Finlandia. "Con un insieme coordinato di misurazioni, è possibile verificare la coerenza e allo stesso tempo fornire risultati più affidabili. Questi risultati potrebbero aiutare a determinare quale/i orologio/i ottico/i utilizzare nella nuova definizione del secondo."

Panoramica della campagna di confronto tra orologi: 10 orologi ottici in sei paesi diversi sono stati confrontati per 45 giorni. [Immagine: Thomas Lindvall et al. - 10.1364/OPTICA.561754]

Confronti tra orologi

Si è trattato del più ampio confronto coordinato mai effettuato tra orologi ottici, orologi in funzione e i collegamenti che li collegano simultaneamente in sei Paesi, per un totale di migliaia di chilometri.

Sono stati eseguiti 38 confronti – o rapporti di frequenza – simultaneamente con dieci diversi orologi ottici. Quattro di questi confronti sono stati eseguiti direttamente per la prima volta, e molti degli altri sono stati misurati con una precisione molto maggiore rispetto a prima.

Per eseguire le misurazioni, i ricercatori hanno dovuto collegare le uscite di frequenza dei diversi orologi, utilizzando due metodi: segnali radio provenienti da satelliti e luce laser che viaggia attraverso fibre ottiche. Il metodo satellitare utilizzava i segnali GPS del sistema di navigazione, disponibili per tutti gli orologi inclusi nello studio. Tuttavia, questa tecnica ha un'accuratezza limitata a causa delle incertezze di misurazione causate da fattori come il rumore del segnale o i limiti dello strumento.

Le connessioni in fibra ottica hanno permesso di effettuare misurazioni con una precisione 100 volte superiore rispetto alla tecnologia satellitare. Tuttavia, queste connessioni stabili e ad alta precisione potevano essere utilizzate solo per collegare orologi in Francia, Germania e Italia durante il confronto internazionale. Nel frattempo, i confronti locali in Germania e nel Regno Unito – dove diversi orologi erano situati presso lo stesso istituto – sono stati effettuati utilizzando fibre ottiche corte, il che ha ridotto notevolmente l'incertezza.

Deve essere migliorato

L'esperimento ha individuato alcuni ambiti in cui sono ancora necessari miglioramenti.

Ad esempio, per confermare che tutti gli orologi funzionino correttamente, le incertezze di misura devono essere ridotte per corrispondere alla precisione degli orologi stessi. Saranno quindi necessarie misurazioni ripetute per confermare l'affidabilità del funzionamento, necessaria per creare fiducia sia negli orologi che nei collegamenti. Inoltre, diversi altri criteri devono essere soddisfatti prima di ridefinire il secondo, tra cui dimostrare che gli orologi ottici possono contribuire regolarmente e costantemente alle scale temporali internazionali.

"Non tutti i risultati corrispondevano alle nostre aspettative e abbiamo riscontrato alcune incongruenze nelle misurazioni", ha affermato Rachel Godun del National Physical Laboratory (NPL) del Regno Unito. "Tuttavia, confrontare così tanti orologi contemporaneamente e utilizzare più di una tecnica per collegarli ha reso più facile identificare la fonte del problema."

"In breve: la precisione dei nuovi orologi ottici è oggetto di studio estremamente approfondito e dettagliato, ma è proprio questo che serve per rendere la ridefinizione del secondo cento volte migliore di quella odierna. Gli scienziati che lavorano in questo settore devono eliminare le più piccole imprecisioni nei loro orologi affinché tutti noi possiamo godere degli immensi vantaggi che questo porterà. E quando si tratta di diciotto cifre decimali, non ci sono scuse per scappare", ha riassunto il Professor José López-Urrutia del Max Planck Institute for Nuclear Physics.

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