Orologio molecolare terahertz ad alta precisione per studiare nuovi fenomeni fisici

Negli ultimi anni, molti fisici di tutto il mondo hanno introdotto gli orologi atomici, sistemi per misurare lo scorrere del tempo basati sugli stati quantici degli atomi, questi orologi possono avere numerose preziose applicazioni, ad esempio nello sviluppo di sistemi satellitari e di navigazione.
Ultimamente, alcuni ricercatori stanno esplorando anche il possibile sviluppo di orologi molecolari, sistemi che assomigliano agli orologi atomici ma basati su semplici molecole. Il team di ricercatori della Columbia University e dell’Università di Varsavia, recentemente ha creato un orologio molecolare molto preciso che potrebbe essere utilizzato per studiare nuovi fenomeni fisici.
Tanya Zelevinsky professoressa di fisica alla Columbia University, la sua ricerca è concentrata sulla spettroscopia ad alta precisione, è tra i ricercatori che ha condotto lo studio pubblicato nella rivista Physical Review X, ha affermato:
«Il nostro recente lavoro è il risultato di uno sviluppo pluriennale per creare quello che viene chiamato orologio molecolare. È stato ispirato dai rapidi progressi nella precisione degli orologi atomici e dalla consapevolezza che gli orologi molecolari si basano su un diverso meccanismo di “ticchettio” e quindi potrebbero essere sensibili a fenomeni complementari. Uno di questi è l’idea che le costanti fondamentali della natura possano cambiare leggermente nel tempo. L’altro è la possibilità che la gravità tra oggetti molto piccoli possa essere diversa da quella che sperimentiamo su scale più grandi».
L’orologio molecolare creato da Tanya Zelevinsky e dai suoi colleghi si basa sulla molecola biatomica Sr 2 strutturalmente simile a due piccole sfere collegate da una molla. L’orologio utilizza specificamente i modi di vibrazione di questa molecola come preciso riferimento di frequenza, che a sua volta gli permette di tenere traccia del tempo.
Tanya Zelevinsky e il suo team per il loro orologio molecolare hanno scelto la molecola biatomica Sr 2 perché i suoi atomi costituenti possono essere facilmente raffreddati dal laser a diodi. Tanya Zelevinsky ha spiegato:
«Il nostro orologio richiede l’uso di laser per raffreddare gli atomi vicino allo zero assoluto e trattenerli in trappole ottiche, indurli a combinarsi in molecole e far brillare su di loro laser “clock” altamente precisi per effettuare effettivamente una misurazione. Alcuni dei vantaggi dell’orologio molecolare sono la sua bassissima sensibilità ai campi magnetici o elettrici vaganti e i tempi di vita naturali molto lunghi dei modi vibrazionali».
Tanya Zelevinsky e i suoi colleghi nello studio hanno valutato la precisione del loro orologio molecolare in una serie di test, misurandone la cosiddetta “incertezza sistematica” (è una possibile variazione sconosciuta in una misurazione, o in una quantità derivata da un insieme di misurazioni, che non varia casualmente da punto dati a punto dati). Hanno scoperto che il progetto proposto minimizzava le fonti di errore in modo significativo, il loro orologio ha raggiunto un’incertezza sistematica totale di  4,6 × 10 −14 , mostrando un’elevata precisione.
Tanya Zelevinsky ha affermato:
«Il nostro recente studio stabilisce un punto di riferimento per la precisione della spettroscopia molecolare, con una misura osservata della nitidezza del picco – o del suo fattore di qualità – di 3 trilioni. Inoltre, illumina gli effetti che limitano questa precisione, in particolare l’eventuale perdita di molecole attraverso la diffusione della luce in cui sono intrappolate, questo ci spinge a cercare miglioramenti nella strategia di intrappolamento ottico».
L’orologio molecolare vibrazionale creato da questo team di ricercatori potrebbe diventare uno standard per le applicazioni a frequenza terahertz, oltre a fornire informazioni sulla creazione di nuovi strumenti di spettroscopia molecolare. Il suo design potrebbe anche essere modificato, sostituendo le molecole di Sr 2 con altre varianti isotopiche (con massa diversa), il che potrebbe aiutare le ricerche in corso di nuove interazioni fisiche.
Tanya Zelevinsky in conclusione ha detto:
«In futuro, speriamo di applicare l’orologio molecolare per comprendere la struttura molecolare con la massima precisione e per studiare eventuali firme di gravità non newtoniana su scale di dimensioni nanometriche».

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About Pino Silvestri

Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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