Laboratorio coreano rimisura lo stronzio 50 volte più precisamente

Per 88 anni, il numero che indica a un laser dove posizionarsi per catturare un atomo di stronzio si è basato su una misura risalente al 1938, quando i ricercatori confrontarono la luce solare con la luce dell'arco elettrico dello stronzio. L'Istituto coreano di ricerca sulla scienza e sugli standard, noto come KRISS, ha ora misurato di nuovo quella frequenza, e il nuovo valore presenta un'incertezza ridotta di oltre 50 volte. La misura riguarda la transizione ottica a 461 nanometri dello stronzio, e il risultato è pubblicato sulla rivista Metrologia.

Il vecchio dato non è mai stato abbastanza preciso per il lavoro odierno. Lo stronzio è impiegato negli orologi a reticolo ottico e nei sensori quantistici, dove gli atomi in rapido movimento devono essere rallentati e intrappolati da laser sintonizzati sulla frequenza di risonanza esatta di una transizione atomica. In assenza di un numero affidabile, gli sperimentatori hanno dovuto osservare direttamente la risposta degli atomi e regolare il laser per tentativi, un po' come si fa girando la manopola di una radio analogica per trovare una stazione. Il nuovo valore sostituisce questa ricerca con un punto di riferimento, e l'incertezza si attesta ora su circa 5 megahertz, al termine di quella che il team descrive come una campagna di misure di precisione durata un anno.

Lo strumento chiave è un «chip a reticolo fotonico», sviluppato dal KRISS insieme al Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) e al Centro nazionale NanoFab. La sua superficie presenta un reticolo fine che, se collocato nel vuoto, diffrange e riflette la luce in direzioni prestabilite. Le configurazioni tradizionali allineano diversi specchi esterni, e ciascuno di essi può captare vibrazioni meccaniche; il chip elimina gran parte di questa fonte di errore e un solo chip può generare fasci laser in più direzioni, semplificando l'assetto ottico. Una volta ridotti gli errori dell'apparecchiatura, i ricercatori hanno determinato la frequenza con due metodi basati su principi diversi. Il primo legge come gli atomi rispondono alla luce al variare della frequenza del laser; il secondo deduce la frequenza dalla distribuzione delle velocità di un fascio atomico rallentato dai laser. I due risultati concordano entro i rispettivi margini d'errore, e il valore finale li combina secondo le linee guida internazionali.

La misura è legata all'ora standard coreana, il riferimento nazionale di tempo e frequenza mantenuto dal KRISS, a sua volta collegato al Sistema internazionale di unità (SI), così che il dato può essere confrontato con lo stesso riferimento in qualsiasi parte del mondo. Per chi costruisce questi dispositivi il vantaggio è concreto: un punto di partenza condiviso e accurato, invece di un numero da ritrovare in ogni laboratorio. Il dottor Jae Hoon Lee, ricercatore principale del Gruppo di sensing quantistico atomico del KRISS, ha così descritto la posta in gioco: «il significato principale di questa ricerca non è semplicemente che abbiamo rimisurato una singola frequenza, ma che abbiamo fornito in anticipo un punto di riferimento di misura accurato per le tecnologie quantistiche di prossima generazione».

Il team prevede che il valore contribuirà a liberare i dispositivi quantistici di nuova generazione dai voluminosi riferimenti atomici esterni di frequenza, soprattutto se combinato con la tecnologia di sintesi di frequenze ottiche attualmente in sviluppo, e ad accelerare la miniaturizzazione e la commercializzazione dei dispositivi ad atomi freddi. Si tratta di previsioni, non di prodotti: il risultato è una singola misura di una transizione, e dovrà ancora essere adottato dai costruttori di orologi e sensori. Il KRISS non indica alcuna tempistica per dispositivi commerciali e non cita alcun partner industriale.