Atomic Clock: cos’è e come funziona?

Il coordinamento e l’efficienza della vita umana dipendono da un ordine temporale che richiede l’adattamento a standard particolari che assicurino affidabilità e costanza. Lo standard del tempo è cambiato numerose volte nel corso della storia, migliorandosi e adeguandosi sempre più armoniosamente, sia alle leggi naturali che allo scopo pratico che sta alla base della misurazione del periodicità universale. Ma … tra i diversi modi di misurare il tempo, cos’è l’orologio atomico e come funziona?

L’orologio atomico nella storia della misurazione del tempo

La possibilità di sfruttare la vibrazione degli elettroni dell’atomo come modo preciso di misurare il tempo non fu proposta fino al XIX secolo. Lord Kelvin ha già attuato questo approccio all’interno di una società scientifica inglese, nel 1879, ma non è stato fino al primo terzo del XX secolo quando il concetto di risonanza magnetica Isaac Rabí inizia con la base concettuale su cui è supportato un orologio atomico. Nel 1949 il nordamericano Willard Libby presentò il primo prototipo di questo tipo di orologio, a base di ammoniaca, utilizzando le microonde come base per lo spettro di misura elettromagnetico.

Dopo vent’anni, il Ufficio internazionale di pesi e misure ha ufficializzato questa nuova tecnologia, per fissare il valore standard della durata di un secondo da ora in poi, che viene periodicamente rivisto insieme ad altri standard di misura universali. È interessante notare che il valore di un secondo atomico è attualmente lo standard più accurato tra quelli definiti dal sistema internazionale di misurazioni.

Cos’è l’orologio atomico?

In quanto elementi di misura basati sulla periodicità, sia gli orologi meccanici che quelli atomici si basano sull’ampiezza delle oscillazioni che ciascuno produce; Ma, a differenza degli orologi convenzionali, al vento o al quarzo, l’orologio atomico è basato sul frequenza naturale di oscillazione degli elettroni in un atomo.

Determinare la precisa frequenza di vibrazione – la radiazione emessa da un particolare tipo di atomo – è ciò che richiede un orologio atomico per funzionare. In questo modo, non è altro che un cubo di gas quantistico sotto vuoto, i cui atomi oscillano (vibrano) a una particolare frequenza qualificata come standard di misura universale.

Come funziona?

Qualunque sia il tipo di atomo utilizzato in ogni caso, il principio di base che governa il funzionamento dell’orologio atomico è universale, quindi si applica allo stesso modo per i diversi elementi chimici utilizzati a questo scopo. Tutti devono essere confinati in una rete di raggi laser che li intrappolano e li trattengono, mentre vibrano come un cubo di gas in una camera a vuoto.

I laser sono gli strumenti di misura statistica della radiazione emessa durante la caduta degli elettroni di questi atomi, da un livello eccitatorio alto a uno più basso e stabile. Il differenza di energia risultante tra il livello dello spin superiore degli elettroni eccitati e il livello stabile più basso, emesso durante la loro caduta, è appunto la misura registrata che viene utilizzata per definire il tempo.

Questa differenza di energia degli elettroni tra i livelli di energia (misurata in hertz), è costante e particolare per ogni tipo di atomo. D’altra parte, per garantire l’accuratezza della misura, questa scatola vibrante per gas da vuoto deve essere conservata in un ambiente stabile ea temperature molto basse.

Tipi di orologio atomico

In più di mezzo secolo di sviluppo degli orologi atomici, vari elementi chimici sono stati usati per assemblare un orologio atomico, tra cui ammoniaca, cesio, rubidio, idrogeno, mercurio, alluminio e stronzio, i più importanti sono quelli di cesio e stronzio.

Orologio Atom al Cesio-133

Il primo orologio atomico con sufficiente precisione e stabilità da servire come riferimento, era basato sulla vibrazione degli atomi di cesio-133 e serviva come standard per l’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure, con sede a Parigi, per impostare la durata del prima volta esatto un secondo.

L’orologio al cesio ha consentito un progresso fulmineo nella standardizzazione e calibrazione dei dispositivi tecnologici e di uso comune, poiché viene anticipato o ritardato solo di un secondo ogni trecento milioni di anni.

Tuttavia, i fisici hanno continuato alla ricerca di nuovi elementi chimici e condizioni tecniche con cui migliorare l’orologio atomico; Pertanto, per decenni sono stati perfezionati orologi basati su atomi di alluminio, mercurio o stronzio.

Orologio Atom Stronzio-38

La decisione più importante tra l’utilizzo di stronzio o cesio come base per un orologio atomico risiede nella sua precisione. Gli atomi di stronzio-38 sono in grado di cambiare la loro rotazione di eccitazione 431 miliardi di volte al secondo, mentre gli atomi di Cesio-133 hanno una velocità inferiore, essendo in grado di farlo solo nove miliardi di volte al secondo, il che ovviamente limita la sua precisione contro il primo.

La stabilità dell’orologio atomico dello stronzio è stata messa a punto sin dalla sua prima versione. Nel 2015 è stata aggiornata la precisione e la stabilità con cui viene calibrato un secondo e, più recentemente, un gruppo di ricerca dell’Università del Colorado – in accordo con il National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti – ha raggiunto un nuovo regolazione, certificando che questo nuovo orologio atomico può ticchettare perfettamente e senza deviazioni per mille volte l’età dell’universo.

Utilità degli orologi atomici

Migliorare la precisione del tempo condiziona la qualità di molti prodotti all’avanguardia. Lo standard di precisione contrassegnato dal secondo atomico, definito secondo l’orologio Strontium-38, consente la precisa calibrazione e sincronizzazione degli orologi ufficiali di tutto il mondo.

Sistemi GPS globali, sistemi di navigazione autonoma, misurazioni delle prestazioni sportive e record mondiali, il coordinamento delle attività legate alle missioni spaziali, la transazione di azioni in borsa o la valutazione degli effetti della Teoria della Relatività di Einstein.

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