Orologio atomico al lutetio: perché arriva alla 19ª cifra

Due riferimenti ottici basati su un singolo ione di lutetio-176 hanno raggiunto un’incertezza frazionaria valutata vicina a 1 × 10^-19 e, confrontati direttamente, hanno mostrato accordo al livello di 5,7 × 10^-19. Il risultato porta la verifica degli orologi ottici alla diciannovesima cifra e rafforza il percorso verso una futura ridefinizione del secondo.

Non significa che l’orologio non sbagli mai. In metrologia il punto è quantificare in modo rigoroso tutte le sorgenti di errore e dimostrare che due sistemi indipendenti, costruiti con la stessa specie atomica, concordino entro l’incertezza dichiarata.

Perché usare il lutetio-176

Gli orologi ottici misurano una frequenza associata a una transizione atomica molto più alta di quella usata dagli attuali standard a microonde. Una frequenza più elevata offre in linea di principio una suddivisione del tempo molto più fine, ma richiede anche un controllo eccezionale degli effetti ambientali e sistematici.

Nel nuovo lavoro i ricercatori del Centre for Quantum Technologies della National University of Singapore hanno realizzato due riferimenti indipendenti con singoli ioni di 176Lu+. La possibilità di confrontare due sistemi della stessa specie è importante perché permette di verificare l’accuratezza senza dipendere soltanto da una stima teorica degli errori.

Cosa significa “diciannovesima cifra”

Una incertezza frazionaria dell’ordine di 10^-19 significa che l’errore relativo sulla frequenza è vicino a una parte su dieci miliardi di miliardi. Nel confronto diretto, la differenza relativa misurata tra i due riferimenti è risultata compatibile con zero entro un’incertezza statistica di 5,7 × 10^-19 e sistematica di 1,0 × 10^-19.

Il valore importante non è soltanto il numero record, ma il fatto che il risultato arrivi da due sistemi indipendenti mantenuti a temperatura ambiente. Questo rende la piattaforma più pratica rispetto a configurazioni che richiedono condizioni criogeniche estreme.

Perché serve per ridefinire il secondo

Il secondo del Sistema Internazionale è ancora definito usando una transizione a microonde del cesio-133. Gli orologi ottici hanno ormai superato quella generazione in stabilità e accuratezza, ma per cambiare una definizione fondamentale serve dimostrare che standard diversi possano essere riprodotti e confrontati in modo affidabile.

Un confronto stessa-specie come quello sul lutetio affronta proprio questo problema. Su iCrewPlay Tech abbiamo già spiegato come un orologio atomico possa misurare differenze relativistiche su distanze millimetriche e perché gli orologi nucleari al torio-229 rappresentino un’altra frontiera della metrologia di precisione.

Può davvero misurare differenze di altezza di pochi millimetri?

Sì, in prospettiva. La relatività generale prevede che due orologi posti a potenziali gravitazionali diversi ticchettino a velocità leggermente differenti. Con precisioni dell’ordine di 10^-19, la metrologia temporale entra nella scala utile per la cosiddetta livellazione cronometrica millimetrica.

Questo non trasforma automaticamente il dispositivo in un altimetro portatile. Per confrontare luoghi diversi servono collegamenti di frequenza altrettanto accurati, sistemi trasportabili e una caratterizzazione completa delle condizioni locali.

Le applicazioni oltre al tempo

Orologi così accurati possono essere usati anche per testare la relatività generale, cercare eventuali variazioni delle costanti fondamentali e mettere limiti a modelli di nuova fisica, inclusi alcuni scenari di materia oscura. In questi esperimenti, un’anomalia minuscola ma ripetibile nella frequenza può diventare un sensore di fenomeni che non sarebbero accessibili con strumenti meno stabili.

Quali sono i limiti

• il risultato riguarda due sistemi di laboratorio e non una rete globale di orologi;
• la precisione del riferimento non elimina gli errori dei collegamenti usati per confrontare laboratori lontani;
• la ridefinizione del secondo richiede consenso internazionale e confronti tra più specie e istituti;
• le applicazioni geodetiche e di fisica fondamentale richiedono misure ripetute e controllo sistematico dell’ambiente.

La fonte primaria è lo studio Lu+ optical frequency references with accuracy verified at the 19th digit, pubblicato su Nature il 23 settembre 2026.

In sintesi: due orologi ottici al lutetio hanno verificato la propria accuratezza fino alla diciannovesima cifra. È un passo concreto verso standard temporali più precisi e verso la futura ridefinizione del secondo.