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Il Primario di Frequenza e di Tempo Standard per gli Stati Uniti

NIST-F1, la nazione primaria di frequenza e di tempo standard, è una fontana di cesio orologio atomico sviluppato presso il NIST laboratori a Boulder, in Colorado. NIST-F1 contribuisce al gruppo internazionale di orologi atomici che definiscono Coordinated Universal Time (UTC), l’ora mondiale ufficiale. Poiché NIST-F1 è tra gli orologi più accurati al mondo, rende UTC più preciso che mai.

L’incertezza di NIST-F1 è in continuo miglioramento. Nel 2000 l’incertezza era di circa 1 x 10-15, ma a partire da gennaio 2013, l’incertezza è stata ridotta a circa 3 x 10-16, il che significa che non guadagnerebbe né perderebbe un secondo in più di 100 milioni di anni! Il grafico seguente mostra come il NIST-F1 si confronta con i precedenti orologi atomici costruiti dal NIST. Ora è circa dieci volte più preciso del NIST-7, un orologio atomico a fascio di cesio che è stato lo standard primario di tempo e frequenza degli Stati Uniti dal 1993 al 1999.

Descrizione tecnica

NIST-F1 è indicato come un orologio fontana perché utilizza un movimento fontana-like di atomi per misurare la frequenza e l’intervallo di tempo. Innanzitutto, un gas di atomi di cesio viene introdotto nella camera a vuoto dell’orologio. Sei raggi laser infrarossi sono quindi diretti ad angolo retto l’uno rispetto all’altro al centro della camera. I laser spingono delicatamente gli atomi di cesio insieme in una palla. Nel processo di creazione di questa palla, i laser rallentano il movimento degli atomi e li raffreddano a temperature vicine allo zero assoluto.

Vengono utilizzati due laser verticali per lanciare delicatamente la palla verso l’alto (l’azione “fontana”) e quindi tutti i laser vengono spenti. Questa piccola spinta è appena sufficiente per soppalco la palla di circa un metro di altezza attraverso una cavità piena di microonde. Sotto l’influenza della gravità, la palla ricade attraverso la cavità del microonde.

Il viaggio di andata e ritorno su e giù attraverso la cavità del microonde dura per circa 1 secondo. Durante il viaggio, gli stati atomici degli atomi potrebbero o non potrebbero essere alterati mentre interagiscono con il segnale a microonde. Quando il loro viaggio è finito, un altro laser è puntato verso gli atomi. Quegli atomi il cui stato atomico è stato alterato dal segnale a microonde emettono luce (uno stato noto come fluorescenza). I fotoni, o i piccoli pacchetti di luce che emettono, sono misurati da un rivelatore.

Questo processo viene ripetuto molte volte mentre il segnale a microonde nella cavità viene sintonizzato su frequenze diverse. Alla fine, si trova una frequenza a microonde che altera gli stati della maggior parte degli atomi di cesio e massimizza la loro fluorescenza. Questa frequenza è la frequenza di risonanza naturale dell’atomo di cesio (9.192.631.770 Hz), o la frequenza utilizzata per definire il secondo.

La combinazione di raffreddamento laser e il design della fontana consente a NIST-F1 di osservare gli atomi di cesio per periodi più lunghi, ottenendo così una precisione senza precedenti. Gli orologi tradizionali al cesio misurano gli atomi a temperatura ambiente che si muovono a diverse centinaia di metri al secondo. Poiché gli atomi si muovono così velocemente, il tempo di osservazione è limitato a pochi millisecondi. NIST-F1 utilizza un approccio diverso. Il raffreddamento laser riduce la temperatura degli atomi a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto e riduce la loro velocità termica a pochi centimetri al secondo. Gli atomi raffreddati al laser vengono lanciati verticalmente e passano due volte attraverso una cavità a microonde, una volta in salita e una volta in discesa. Il risultato è un tempo di osservazione di circa un secondo, che è limitato solo dalla forza di gravità che tira gli atomi a terra.

Come puoi immaginare, i tempi di osservazione più lunghi rendono più facile sintonizzare la frequenza delle microonde. La migliore sintonizzazione della frequenza delle microonde porta ad una migliore realizzazione e controllo della frequenza di risonanza del cesio. E, naturalmente, il miglioramento del controllo della frequenza porta a quello che è uno degli orologi più accurati del mondo.