Orologio atomico

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Un orologio atomico completo di apparati di supporto

L'orologio atomico è un tipo di orologio in cui la base del tempo è determinata dalla frequenza di risonanza di un atomo.

I primi orologi atomici erano semplici maser integrati da opportuni sistemi di rilevamento. Al giorno d'oggi i migliori orologi per la determinazione del tempo standard si basano su princìpi fisici più complessi implicanti l'uso di atomi freddi e fontane di atomi.

Gli istituti di metrologia mantengono il tempo standard con una accuratezza di 10-9 secondi al giorno ed una precisione pari a quella della frequenza del trasmettitore radio utilizzato per "pompare" il maser. Su questa base viene mantenuta una scala del tempo stabile e continua: il Tempo Atomico Internazionale (International Atomic Time).
Per il computo del tempo civile viene utilizzata una scala diversa, il Tempo Coordinato Universale (Coordinated Universal Time - UTC). Il secondo deriva dal primo ma è sincronizzato con il tempo astronomico scandito dalla rotazione terrestre.

Il primo orologio atomico sperimentale fu costruito nel 1949 ed installato presso il National Bureau of Standards negli Stati Uniti. Il primo modello sufficientemente accurato, basato su transizioni di livelli energetici nell'atomo di cesio, fu costruito nel 1955 da Louis Essen al National Physical Laboratory in Gran Bretagna. Fu installato presso l'osservatorio di Greenwich a Londra.
L'uso di questi orologi ha portato nel 1967 alla definizione del secondo sulla base del tempo atomico. Dal 1972 (data dell'introduzione del "tempo atomico") al 1999 sono stati aggiunti complessivamente al "tempo terrestre" 22 secondi.

Nell'agosto 2004 scienziati del National Institute of Standards and Technology hanno presentato un prototipo sperimentale di orologio atomico integrato su di un chip. Gli autori ritengono che questo dispositivo abbia dimensioni pari ad un centesimo di quelle del più piccolo orologio atomico precedente. Richiederebbe inoltre solamente 75 milliwatt di potenza elettrica per funzionare, rendendolo così impiegabile in dispositivi portatili a batteria.

Per ora è preferibile utilizzare orologi radiocontrollati, con cui è possibile ricevere il segnale orario prodotto con orologi atomici in modo economico e pratico.

Il funzionamento[modifica | modifica sorgente]

Gli orologi atomici a maser utilizzano una cavità risonante contenente un gas ionizzato. Solitamente è usato il cesio perché questo è alla base della definizione del secondo come 9.192.631.770 cicli della radiazione corrispondente alla transizione tra due specifici livelli energetici dello stato fondamentale dell'atomo di questo elemento.
Questo fa dell'oscillatore al cesio, come è a volte chiamato l'orologio atomico, lo standard primario per le misure di tempo e frequenza. Altre grandezze fisiche come il volt ed il metro sono definite chiamando in causa il secondo come grandezza fondamentale.

Il cuore di un orologio atomico è costituito oltre che dalla cavità a microonde già accennata, da un oscillatore/trasmettitore radio sintonizzabile ed un anello di retroazione (un servosistema) che regola la frequenza dell'oscillatore esattamente alla frequenza a cui si ha la risonanza per il particolare tipo atomico contenuto nella cavità.
Il trasmettitore riempie la cavità con onde stazionarie; quando la frequenza coincide con la frequenza di risonanza del gas, gli elettroni degli atomi assorbono le onde radio e saltano al livello energetico superiore. Tornando al livello originario riemettono sotto forma di luce l'energia precedentemente assorbita.
Se la frequenza di pompaggio si discosta dal valore di risonanza, l'intensità della luce prodotta diminuisce. Una fotocellula rileva quindi la variazione e un circuito corregge la frequenza nella direzione di riportare l'intensità luminosa al valore massimo.

Il modo in cui questo processo di retroazione opera è naturalmente più complesso, in quanto deve anche sopprimere effetti indesiderati quali la frequenze di altri livelli elettronici o distorsioni nelle transizioni, variazione della temperatura ecc.
Per esempio la frequenza delle onde radio può essere modulata sinusoidalmente in modo che la luminosità alla fotocellula abbia un andamento similmente variabile. Questo segnale può essere poi utilizzato per controllare la deriva a lungo termine della frequenza.
Il risultato è quello di fare oscillare (entro un certo margine di errore) il generatore di microonde secondo le precisissime caratteristiche quantistiche del cesio. Quando il sistema viene acceso è necessario un certo tempo affinché vada a regime e il dato prodotto sia affidabile.
Infine un contatore conta i cicli della frequenza originale e li comunica ad un computer, il quale li presenta in forma numerica oppure li trasmette via radio o via Internet.

Esistono diverse varianti a questa configurazione. Gli orologi al rubidio hanno un basso costo, un limitato ingombro (i modelli commerciali occupano un volume di 400 cm3) e buona stabilità termica a breve termine. Sono usati in applicazioni commerciali e nell'industria aerospaziale. I maser ad idrogeno (costruiti in particolare in Russia) hanno una stabilità a breve termine migliore di altri sistemi ma minore accuratezza a lungo termine.

Spesso uno standard è utilizzato per correggerne un altro. Per esempio in alcune applicazioni commerciali è impiegato un oscillatore al rubidio asservito ad un ricevitore Global Positioning System. Questo metodo permette di raggiungere una buona accuratezza a breve termine assieme ad una stabilità a lungo termine riferibile al tempo standard degli Stati Uniti (dal cui governo è amministrato il GPS).

Di importanza pratica è anche la durata di vita di un riferimento standard. I moderni tubi maser al rubidio durano oltre dieci anni e hanno un costo di circa 50€. I tubi al cesio utilizzati dagli uffici metrologici nazionali hanno una durata di circa sette anni e costano oltre 30.000€. I sistemi ad idrogeno hanno una durata limitata dal rapporto tra la quantità d'idrogeno accumulata (tipicamente in bombole con idride all'interno) e quella consumata per unità di tempo.

Sviluppi futuri[modifica | modifica sorgente]

Attualmente la ricerca punta a realizzare orologi atomici più compatti, economici, accurati ed affidabili, anche se questi obiettivi spesso sono in reciproco contrasto.

Un orologio atomico su chip sviluppato al NIST.

Molti studi si focalizzano sull'impiego di trappole di ioni. Teoricamente, un singolo ione mantenuto sospeso in un campo elettromagnetico può essere tenuto sotto osservazione per un lungo periodo di tempo, ottenendo nel contempo una maggiore accuratezza e minori consumi e dimensione.
L'orologio a singolo ione ha una bassa stabilità nel breve periodo poiché lo ione è soggetto a continue vibrazioni dovute alla temperatura. Per questo motivo si impiegano sistemi di raffreddamento laser degli ioni abbinati a risonatori ottici, allo scopo di sopprimere gli effetti dovuti al rumore termico e meccanico.
La tecnica migliore consente di raffreddare un risonatore allo zaffiro alla temperatura dell'elio liquido. Il laser invece non è molto usato. Ne consegue che le trappole ioniche attuali sono compatte, ma i dispositivi ausiliari occupano invece molto spazio.
Alcuni ricercatori hanno elaborato trappole ioniche con differente geometria, per esempio nuvole allungate di ioni danno una migliore accuratezza a breve termine.

Il migliore sistema attualmente sviluppato impiega ioni di mercurio. È stato creato al NIST che sfrutta un laser con impulso di un femtosecondo. Ha una precisione di 5 ordini di grandezza in più rispetto agli orologi al cesio. I suoi progettisti dicono che potrebbe sbagliare di un secondo "dopo 4,5 miliardi di anni".

Un particolare isotopo dell'itterbio presenta una precisa e definita frequenza di risonanza in uno dei suoi livelli di transizione iperfine.
Lo stronzio ha uno stato di transizione iperfine che non è preciso ma può essere attivato da un laser a stato solido, permettendo la realizzazione di dispositivi molto economici, compatti e durevoli. Recentemente è stato scoperto che l'atomo di alluminio è il più preciso.[1]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ NIST's Second 'Quantum Logic Clock Based on Aluminum Ion is Now World's Most Precise Clock

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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