Come funziona un orologio atomico?

Come funziona un orologio atomico?

Non così

Tutti sappiamo che l’orologio più preciso al mondo è l’orologio atomico. Quasi tutti ne abbiamo sentito parlare, o l’abbiamo citato, almeno una volta. I nostri gioielli tecnologici radiocontrollati, ad esempio, si basano sul segnale ricevuto da un orologio atomico.

Benché ciò non sia noto ai più, essi sono fondamentali per la nostra vita di tutti i giorni. Ogni operazione complessa che richiede un’estrema precisione temporale ne fa uso. Ad esempio, la rete Internet, che necessita di un’accuratezza assoluta nella trasmissione dei pacchetti dati, e il sistema GPS, dal momento che triangola la nostra posizione basandosi sul ritardo della risposta ad un segnale radio inviato dai satelliti intorno al globo (e che devono quindi essere sincronizzati alla perfezione).

L’orologio atomico del NIST

Ma qual è, in dettaglio, il principio alla base di un orologio atomico?

Facciamo un passo indietro. I metodi per misurare il tempo, fin dai primordi, si dividono in due macrocategorie: la prima si basa sullo svolgersi di un particolare fenomeno che viene preso come unità di misura di un dato periodo di tempo, come ad esempio l’alternanza fra giorno e notte (diviso poi in 24 ore), lo scorrere della sabbia in una clessidra, l’ombra che si muove di una meridiana.

Il secondo, più moderno, si basa su un dato avvenimento che accade con una frequenza molto alta. Si verifica a quanti cicli corrisponde un certo periodo di tempo ed esso diventa la base su cui viene determina lo scorrere dei minuti e delle ore; nel caso di cicli al secondo, la misura standard sono gli Hertz (Hz). Con questo concetto in mente, è stato creato dapprima il pendolo (ogni oscillazione = 1 secondo), l’oscillatore degli orologi meccanici (5, 6, 8, 10 Hz), le vibrazioni di un cristallo di quarzo (32768 Hz).

Tuttavia, la precisione dipende, oltre che dalla suddivisione del tempo in cicli sempre più brevi, anche e soprattutto dalla stabilità di tale misurazione a distanza di ore, mesi, anni e secoli. Il pendolo, gli ingranaggi meccanici e anche i cristalli di quarzo (in misure differenti) risentono di interferenza esterne, che ne compromettono l’accuratezza sulla lunga durata. Tali possono essere gravità, temperatura, attrito, magnetismo, utilizzo. Per cui, per quanto un orologio al quarzo sia molto più preciso di uno automatico, col passare dei mesi subirà uno sfasamento sempre più grande, fino ad arrivare a perdere (o guadagnare) anche diversi secondi.

Già nel 1879 un certo signore di nome Kelvin (in cui onore è nominata la scala termometrica assoluta) suggerì la possibilità di utilizzare le transizioni di stato dell’atomo come base su cui misurare il tempo.

Senza entrare in complessi argomenti di fisica, espongo in maniera molto sintetica il meccanismo atomico di cui stiamo parlando. Nel 1913 Niels Bohr stabilì che gli elettroni che girano intorno al nucleo dell’atomo modificano la propria orbita con “step” precisi determinati dalla quantità di energia che viene loro somministrata. Ciò viene definito scientificamente come “Salto Quantico” (Quantum Leap). Ciò avviene con una frequenza altissima: l’elettrone permane nell’orbita per un tempo brevissimo, circa 10^-9 secondi.

La particolarità che ha reso gli atomi così importanti per la misura del tempo è che questi salti quantici avvengono con una frequenza estremamente stabile. Essa è definita frequenza di risonanza dell’atomo, e può essere vista in maniera analoga alla frequenza di risonanza, ad esempio, alla quale un bicchiere è indotto a vibrare (e a volte a rompersi) da una precisa nota musicale.

Ragion per cui, finalmente, nel 1967 il Comitato internazionale dei pesi e delle misure ha stabilito che

Quindi, stabilito questo, come funziona un orologio atomico? Per quanto incredibile sia, il ruolo degli atomi in questa tecnologia serve ad autocorreggere la vibrazione di un cristallo che vibra, appunto, alla medesima frequenza di risonanza del Cesio 133 (9.192.631.770 Hz, appunto). Vediamo come.

Come illustrato dallo schema, in un forno vengono eccitati degli atomi di Cesio 133, che vengono poi “sparati” all’interno di una cavità di risonanza. Appena prima, però vengono fatti passare attraverso un magnete che separa gli atomi con uno stato di energia più basso da quello più alto, scartando questi ultimi e lasciano entrare nella cavità solo quelli con livello energetico inferiore.

A questo punto, essi vengono irrorati con delle microonde che hanno la precisa frequenza di 9.192.631.770, e che eccitano gli elettroni inducendoli a passare al livello successivo. Quanto più precisa la frequenza, quanto più elettroni vengono indotti al “quantum leap”.

Tale frequenza è determinata dalla vibrazione un cristallo, esattamente come accade nei normali circuiti di quarzo. Ora, come si è detto all’inizio, tale frequenza risente di interferenze esterne e quindi varia col passare del tempo. Ragion per cui, all’uscita della cavità, le particelle passano di nuovo attraverso due magneti, che questa volta dirigono solo le particelle con livello energetico superiore (e quindi irradiate da una frequenza corretta) verso un sensore che analizza la quantità di atomi eccitati. Quando questa varia, invia tramite un circuito di feedback un segnale all’oscillatore, che viene indotto a “correggere” la sua frequenza e a mantenerla sempre precisa. Il tutto in un arco di tempo ridottissimo. Tale frequenza, come in un normale orologio al quarzo, viene poi tradotta in misura temporale da un circuito. Per cui, si può dire che l’orologio atomico è in pratica un sistema che mantiene autonomamente la sua accuratezza o, per dirla all’inglese, un self-tuning system. Piuttosto incredibile, no?

Questo modello è stato in seguito perfezionato e migliorato, introducendo nuovi sistemi di rilevazione ed elementi differenti dal Cesio, come l’Idrogeno, il Rubidio, lo Stronzio. La precisione raggiunta è ormai a livelli inimmaginabili:  nel 2015, a Tokyo è stato creato un modello estremamente avanzato che ha uno scostamento di 1 secondo in 16mila milioni di anni. Quantomeno, se la fine del mondo arriverà, sapremo l’ora esatta.

Disclaimer: i contenuti di questo articolo sono stati da me redatti attingendo a vari siti di informazione scientifica e articoli di riviste. Tuttavia, devo ringraziare in particolare due canali YouTube che mi sono stati di grande aiuto per comprendere appieno, ed esporre a voi, il funzionamento dell’orologio atomico, grazie a questi due video (da uno dei quali è stato tratto lo schema, molto chiaro e ben fatto, che vi ho proposto).

Se comprendete un po’ d’inglese e volete approfondire l’argomento, vi invito a visionarli e a iscrivervi ai loro canali, che sono veramente interessanti e ben fatti.

Bill, Dom, thank you for you wonderful, accurate and clear exposition. It has been a truly great help for me, and I have to give you all the credit you deserve for that.

P.S. Nel caso voleste, al modico prezzo di 1500 € è possibile acquistare un piccolo, vero orologio atomico: il Microsemi Chip Scale Atomic Clock.

Il Microsemi Chip Scale Atomic Clock