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Orologio a reticolo ottico

Orologio a reticolo ottico: vale 3 milioni ed è precisissimo

Gli orologi a reticolo ottico potrebbero aiutare gli scienziati a rilevare le onde gravitazionali, a cacciare la materia oscura e molto altro, ecco perché quest'invenzione può rivedere il modo in cui osserviamo l'universo

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Due fisici hanno recentemente guadagnato 3 milioni di dollari per aver contribuito a sviluppare l’orologio a reticolo ottico più preciso di sempre, il quale consentirebbe agli scienziati di studiare ed esplorare l’universo come mai prima d’ora.

Hidetoshi Yatori e Jun Ye hanno vinto il 2022 Breakthrough Prize in Fundamental Physics

“per gli eccezionali contributi all’invenzione e allo sviluppo dell’orologio a reticolo ottico, che consente test di precisione delle leggi fondamentali della natura”

hanno annunciato due giorni fa (9 settembre) i rappresentanti del Breakthrough Prize.

Orologio a reticolo ottico

Yatori ha sede presso l’Università di Tokyo e l’istituto di ricerca giapponese Riken, mentre invece Ye considera la sua casa l’Università del Colorado Boulder e il National Institute of Standards and Technology; il duo ha lavorato in modo indipendente e condividerà il premio di $ 3 milioni.

La ricerca di Yatori e Ye è stata fondamentale per la creazione dell’orologio a reticolo ottico, che secondo i rappresentanti del Breakthrough Prize migliora la precisione del cronometraggio di un fattore di 1.000, il nuovo tipo di orologio infatti perderebbe meno di 1 secondo se utilizzato per 30 miliardi di anni, più del doppio dell’età dell’universo.

L’orologio a reticolo ottico è un passo evolutivo oltre i tradizionali orologi atomici, che si basano sui salti quantici compiuti dagli elettroni negli atomi energizzati. In effetti, “un secondo” è ufficialmente definito come 9.192.631.770 cicli della radiazione che ottiene gli elettroni in un atomo di cesio per fare un salto quantico.

Gli orologi atomici inizialmente utilizzavano radiazioni a microonde per indurre quei salti, dopodiché un progresso è arrivato con la sostituzione della luce ottica, che presenta frequenze circa 100.000 volte superiori a quelle delle microonde.

Quelle frequenze più elevate hanno consentito una maggiore precisione di cronometraggio, proprio come fanno negli orologi a pendolo con pendoli a oscillazione più veloce, hanno affermato i rappresentanti di Breakthrough.

Orologio a reticolo ottico
Jun Ye

Misurare le frequenze più alte era molto più difficile, ma quel problema è stato più o meno risolto dal “pettine di frequenza ottico“, la tecnologia sviluppata da John Hall e Theodor Hänsch che è valsa loro il Premio Nobel per la Fisica nel 2005.

Nella realizzazione dell’orologio a reticolo ottico c’è da tener conto del fatto che Hall era Ph.D. consigliere di Ye presso l’Università del Colorado Boulder, e Ye ha rilevato il laboratorio del suo mentore quando l’uomo più anziano è andato in pensione.

Gli orologi atomici a frequenza ottica utilizzano lo stronzio anziché gli atomi di cesio e sia Yatori che Ye hanno capito come domare gli atomi di stronzio, tenendoli fermi in modo che potessero essere misurati, i ricercatori infatti usano un “reticolo ottico”, un’onda stazionaria da un raggio laser che crea una sorta di forma di cartone di uova i cui pozzi intrappolano gli atomi.

“È quasi come un raggio traente di fantascienza. Metti un raggio traente nel mezzo della camera a vuoto e puoi tenere gli atomi nel mezzo della camera con la luce.”

ha detto Ye (i raggi traenti sono quelli usati nei film sugli UFO, dove la navicella riesce, con un raggio, a catturare ciò che è sul terreno).

Orologio a reticolo ottico
Hidetoshi Yatori

La manipolazione degli atomi in questo modo potrebbe disturbarli abbastanza da influenzare le misurazioni cruciali per un cronometraggio accurato. Come ha detto Ye:

“Stai schiacciando questi atomi, Come puoi essere sicuro che ti diranno la verità?”

Ma Yatori e Ye hanno capito che la scelta della giusta lunghezza d’onda per il “raggio traente” risolve quel potenziale problema.

“L’abbiamo progettato in modo tale che questa azione di trattenere questi atomi risultasse non causare perturbazioni alla misurazione della distanza di energia tra questi due stati quantistici che contava davvero per la misurazione dell’orologio. Quindi, questo era quasi come il pranzo gratis.”

ha detto Ye.

Come modificherà il mondo della scienza questo orologio a reticolo ottico

Questo progresso ha contribuito a rendere l’orologio a reticolo ottico una realtà e ha fatto guadagnare a Yatori e Ye il premio Breakthrough in Fundamental Physics.

Le potenziali applicazioni di questa nuova tecnologia sono numerose e diverse, hanno affermato i rappresentanti di Breakthrough, ad esempio, l’orologio a reticolo ottico potrebbe migliorare notevolmente l’accuratezza del Global Positioning System e di altre reti di navigazione satellitare e consentire una guida più precisa delle sonde dello spazio profondo.

Orologio a reticolo otticoOrologio a reticolo ottico

L’orologio a reticolo ottico potrebbe anche consentire nuovi test della teoria della relatività di Einstein, ad esempio consentendo ai ricercatori di studiare la dilatazione del tempo gravitazionale e altri effetti in modo più accurato.

L’orologio a reticolo ottico potrebbe anche aiutare a rilevare le onde gravitazionali, avvisando i ricercatori di minuscole variazioni temporali indotte da queste increspature spazio-temporali.

Il legame tra gravità e tempo significa che l’orologio a reticolo ottico potrebbe anche aiutare i ricercatori a tracciare eventi vulcanici e sismici qui sulla Terra e a cacciare oceani sepolti su mondi alieni, e potrebbe persino aiutare la ricerca di materia oscura sfuggente, secondo quanto detto da Ye.

“La materia oscura in qualche modo deve interagire con la materia ordinaria, oltre alla semplice fisica gravitazionale.

Vogliamo essere in grado di vedere le firme molto deboli di un possibile componente della materia oscura nella materia ordinaria che conosciamo sulla Terra, nelle firme di un orologio che viene rallentato o accelerato quando la materia oscura arriva.

Quindi ci siamo preparati esperimenti del genere”.

ha detto Ye.

Ma che cos’è il Breakthrough Prize?

L’annuale Breakthrough Prize in scienze e matematica è stato fondato nel 2012 da Mark Zuckerberg e Priscilla Chan, Sergey Brin, Anne Wojcicki e Yuri e Julia Milner, ed è il premio più ricco della scienza; ognuno vale quasi tre volte di più di un premio Nobel (un Nobel ora arriva con un premio in denaro di 10 milioni di corone svedesi, o circa 1,2 milioni di dollari USA ai tassi di cambio attuali).

Orologio a reticolo ottico
Breakthrough Prize

Il premio Breakthrough riconosce la ricerca pionieristica nelle scienze della vita, nella matematica e nella fisica fondamentale, ed i premi mirano ad aumentare il bagaglio culturale della scienza e della tecnologia e ispirare i bambini a intraprendere una carriera in questi campi, hanno affermato i rappresentanti del Breakthrough Prize.

Quest’anno sono stati assegnati tre premi Breakthrough da 3 milioni di dollari nelle scienze della vita (oltre a quello dell’orologio a reticolo ottico), uno dei quali ha riconosciuto ricercatori per il lavoro di ingegneria dell’RNA che ha contribuito a consentire il rapido sviluppo di vaccini efficaci contro il COVID-19.

È stato assegnato un premio Breakthrough in matematica e Yatori e Ye hanno condiviso l’unico premio per la fisica fondamentale con appunto l’orologio a reticolo ottico.

Quest’anno la Breakthrough Prize Foundation ha assegnato una manciata di $ 100.000 “New Horizons” ai ricercatori all’inizio della carriera, ed uno di questi è andato a quattro scienziati “per la leadership nel gettare le basi per le osservazioni elettromagnetiche di sorgenti di onde gravitazionali e per la leadership nell’estrazione di ricche informazioni dalla prima collisione osservata di due stelle di neutroni”, secondo l’annuncio del premio di due giorni fa.

In totale, la Breakthrough Prize Foundation sta concedendo $ 15,75 milioni in premi quest’anno e, nel caso in cui volessi saperne di più su tutti i vincitori appena annunciati qui, e/o sapere chi sono questi personaggi, ti basta andare sul loro sito ufficiale.

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Secondo te cosa comporterà, da oggi in poi, l’invenzione di questo orologio a reticolo ottico? In che modo potrà rivoluzionare effettivamente il modo in cui vediamo l’universo? Discutiamone qui sotto nei commenti!

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14 settembre, 2021

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