IL SECONDO DENTRO L ATOMO: OROLOGI ATOMICI, LASER, ATOMI ULTRAFREDDI E LA MISURA DEL TEMPO

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1 IL SECONDO DENTRO L ATOMO: OROLOGI ATOMICI, LASER, ATOMI ULTRAFREDDI E LA MISURA DEL TEMPO Davide Calonico Divisione di OTTICA INRIM - ISTITUTO NAZIONALE DI RICERCA METROLOGICA d.calonico@inrim.it OFIS Como, 27 settembre

2 Sommario La metrologia (di tempo e frequenza) Orologi atomici Atomi e Raffreddamento laser I laser diventano orologi Relatività generale e orologi Le costanti sono costanti? Il tempo sulla fibra ottica D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

3 Metrologia: cui prodest? When you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it; but when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meagre and unsatisfactory kind. It may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in your thoughts, advanced to the stage of science. Lord Kelvin D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre 2013

4 Metrologia: cui prodest? Accurate measurementisat the heartof physics, and in my experience new physics begins at the next decimal place. Steve Chu, Nobel Laureate, 1997 D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre 2013

5 next decimal place: riducendo l incertezza! La metrologia è (anche) la disciplina che studia le tecniche teoriche sperimentali e statistiche per quantificare e ridurre l incertezza di misura Ma c è dell altro D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre 2013

6 La metrologia primaria Per misurare occorre avere un UNITA CAMPIONE Questo comporta un processo scientifico (e tecnologico) che chiameremo METROLOGIA PRIMARIA e che sintetizziamo nei seguenti passi: DEFINIZIONE REALIZZAZIONE MANTENIMENTO DISSEMINAZIONE ogni fase porta con sé una propria specifica incertezza, ovviamente da quantificare! D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre 2013

7 La convenzione del metro Trattato Diplomatico CONVENZIONE DEL METRO, Parigi 1875 ITALIA: CO-FONDATRICE Organo Politico (Governi Stati Membri) Organo Tecnico (eletto dall Organo Politico) CGPM: CONFERENZA GENERALE DEI PESI E DELLE MISURE, ogni 4 anni, delegati degli stati membri CIPM: COMITATO INTERNAZIONALE DEI PESI E DELLE MISURE, 18 membri, incontri annuali, supervisione tecnica e del BIPM Organo Scientifico BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET DES MESURES (BIPM), ISTITUTI NAZIONALI DI METROLOGIA ITALIA: INRiM a Torino

8 Lunghezza: metro [ m ] Massa: kilogrammo [ kg ] Tempo: secondo [ s ] Corrente elettrica ampère [ A ] Temperatura t. kelvin [ K ] Quantità di sost. mole [ mol ] Intensità lum. candela [ cd ]

9 Il secondo : definizione (la metrologia non è una scienza statica) Tempo solare medio (fino al 1960) Il secondo è la frazione 1 / del giorno solare medio Tempo delle Effemeridi (dal 1960 al 1967) Il secondo è la frazione 1 / ,9747 dell anno tropico relativo al giorno 1 gennaio 1900 alle ore 12 UT Tempo atomico (dal 1967) llsecondo è la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell atomo di cesio 133. D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre 2013

10 Evoluzione dell accuratezza degli orologi s in 3 anni s in 1 giorno Oscillatore a quarzo anni Rotazione Terrestre Pendolo di Galileo ca s in 30 anni s in anni Orologio al Cesio s in 60 milioni di anni Fontana di Cesio

11 Orologi atomici commerciali: Cesio Idrogeno Rubidio 1 m Maser all Idrogeno commerciale 4 mm 40 cm Orologio al Cesio commerciale Campioni al Rb miniaturizzato (chip scale)

12 Utilizzatori del tempo e della frequenza SISTEMI DI LO CALIZZAZIONE TELECOMUNICAZIONI TRASPORTI E NAV IGAZIONE SISTEMI DI DATAZIONE E-COMMERCE FORNITORI ENERGIA ELETTRICA

13 Utilizzatori del tempo e della frequenza STRUMENTAZIONE ATTIVITA' SPAZIALE GEODESIA RICERCA FONDAMENTALE AGRICOLTURA DIFESA

14 Il laboratorio di tempo all INRIM Contribuisce alla formazione della Scala di Tempo Internazionale TAI del BIPM Realizza e mantiene, per legge, il Campione Nazionale di Tempo e Frequenza Ensemble di orologi: 5 Orologi al Cesio commerciali 3 Maser all Idrogeno 2 Fontane di Cesio Lo dissemina in ambito nazionale mediante: SRC - Segnale RAI Codificato NTP - Network Time Protocol In ambito internazionale mediante: Sistemi Satellitari GPS e Due Vie (TWSTFT) Coordina e controlla l attività dei Centri di Taratura SIT

15 Orologiatomici: Principia Desiderata: ottenere un segnale elettromagnetico con frequenza stabile e universale Le Frequenze di Bohr associate alle transizioni atomiche sono ritenute STABILI e UNIVERSALI nello spazio-tempo (se le teorie fondamentali sono corrette ) Un campione atomico di frequenza è un dispositivo capace di riferire la frequenza di un oscillatore macroscopico (un quarzo in genere) a quella di un sistema quantistico semplice(atomo, ione o molecola). Gli atomi sono tutti identici e la frequenza di risonanza non cambia nello spazio-tempo. Il campione si dice primario quando la frequenza di risonanza dell atomo si può ricondurre alla sua frequenza imperturbata.

16 Orologiatomici: Principia Equivalenza di Bohr E = hν INTERAZIONE ATOMI-RADIAZIONE PREPARAZIONE degli atomi nello stato iniziale della transizione Oscillatore Locale Frequenza nominale ν MISURA del numero di atomi transiti allo stato finale della transizione. Correzione per la frequenza dell oscillatore fino a raggiungere il massimo numero di atomi transiti.

17 Il secondo SI F=5 Tra tutte le possibili transizioni il secondo è definito come: Il secondo è l intervallo di tempo corrispondente a periodi di radiazione della transizione tra i due stati fondamentali dell atomo di 133 Cs imperturbato. 6 2 P 3/2 D 2 λ=852 nm ν=352 THz 6 2 P 1/2 D 1 λ=894 nm ν=335 THz 6 2 S 1/2 F=4 F=3 F=2 F=4 F=3 F=4 F=3 251 MHz 201 MHz 151 MHz cooling 1167 MHz Repumping Hz D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

18 Accuratezza e stabilità di un campione di frequenza Quantosiamosicuricheilnostrosistemasiaaccurato, cioèsiaun sistema imperturbato e riproduca la definizione? Misuree Test per conoscereal meglioilsistemaatomicoin esame Per un fisico, la bellezza della metrologia di frequenza è la capacità di descrivere in modo quantitativo il comportamento di un sistema atomico, e di portare all estrema accuratezza questa capacità Stabilità è la capacità di realizzare una frequenza costante nel tempo. La stabilità dipende dal tipo di rumore e dal tempo di misura (e non sempre più misure = minore incertezza ) D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

19 INRIM, Fontane di Cesio ITCsF1 e ITCsF2: Accuratezza ITCsF1 σ y (τ)= τ -1/2 Accuratezza: ITCsF2 σ y (τ)= τ -1/2 Accuratezza: u ITCsF1 u ITCsF2 Zeeman 2E-16 8E-17 Collisioni 3E-16 1E-16 Corpo Nero 3E-16 1E-17 Microonda 2E-16 1E-16 Redshift 1E-17 1E-17 Totale 5E-16 2E-16 D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

20 Per migliorare in generale gli orologi 1) Aumentare il Tempo di interazione ν Τ~ 1 2) Fermare gli atomi per ridurre l effetto Doppler (riducendo l energia cinetica) 3) Scegliere Transizioni Atomiche migliori (frequenza maggiore, larghezza naturale minore, minore sensibilità ambiente esterno) D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

21 Orologi atomici: spettroscopia quantistica Interazione tra atomi (Cesio) e e microonde(in cavità risonanti ) Doppio Passaggio (N. Ramsey): Risonanza Magnetica Nucleare e interferometria quantistica, più precisione D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

22 Nobel Gallery/ Norman F. Ramsey "for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks" Hans G. Dehmelt Wolfgang Paul "for the development of the ion trap technique" D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

23 Orologio a fascio di Cesio D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

24 L idea di una fontana atomica Principio fondamentale: ν T 1 MaggioreT, minore ν, migliore accuratezza D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

25 L idea di una fontana atomica Zacharias, al MIT nel 1954, propose di aumentare T con un orologio a geometria verticale, con atomi in volo balistico: una fontana atomica. T MA, gli atomi di Cs a temperatura ambiente in volo si diffondono e non tornano indietro Nel 1954, la fontana di Zacharias era utopica. 25

26 Laser Cooling Negli anni ottanta, si sviluppano le tecniche di raffreddamento laser per diverse specie di vapori atomici: per certi livelli particolare, la luce laser, a una certa frequenza e polarizzazione, rallenta gli atomi e li raffredda Il Cesio si raffredda fino a velocità residue di 1 cm/s, cioè una temperatura T 1µK: All inizio degli anni novanta, l idea di Zacharias poteva diventare realtà Credits: D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

27 Nobel Gallery/ Stephen Chu, William Phillips, Claude Cohen-Tannoudj "for development of methods to cool and trap atoms with laser light" D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

28 L era del raffreddamento laser: come funziona una fontana atomica (courtesy of NIST) D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

29 Fontana criogenica al Cesio INRIM ITCsF2 accuratezza relativa 2x10-16 Rraffreddamento laser del Csa1µK; Struttura Criogenica a 89 K; Realizza in Italia la definizione del secondo Contribuisce alla realizzazione del Tempo Atomico Internazionale D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

30 Fontane atomiche attive nel mondo Seilaboratori hanno finora contribuito regolarmente alla generazione del Tempo Atomico Internazionale con fontane al Cesio: USA (2 fontane); Francia (3); Italia (2); Germania (2); UK (2); Giappone (2) D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

31 Trappole RF a singolo Ione Atomi ancora più fermi: Trappole a ioni e reticoli ottici Reticoli Ottici con Atomi Neutri (Lunghezza d onda magica senza perturbare la transizione di orologio) D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

32 Nobel Gallery/ Norman F. Ramsey "for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks" Hans G. Dehmelt Wolfgang Paul "for the development of the ion trap technique" D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

33 Ancora meglio: l orologio ottico Migliorare gli orologi cambiando transizione atomica. L identikit della transizione d orologio «buona»: 1. Alta frequenza, ma misurabile 2. Transizione quantica Proibite ( piccola larghezza naturale di riga ν) 3. Alto Fattore di qualità Q: Q = ν/ ν (aumento della risoluzione) 4. Bassa Sensibilità alle perturbazioni del mondo esterno 5. Possibilità di raffreddamento Laser 6. Esistenza di un Oscillatore che ecciti la transizione Diversi atomi offrono tutte queste caratteristiche con transizioni a frequenza ottica Si parla allora di OROLOGI OTTICI OFIS Como, 27 settembre 2013

34 Il Laser diventa un orologio Microwave Oscillator ( Hz ) Clock Laser MICROWAVE Cs CLOCKS OPTICAL CLOCKS Laser Cooled Caesium Laser Cooled Atomic System

35 Anche i laser diventano orologi Fino alla fine del secolo scorso, lunghe catene di sintesi, che coinvolgevano svariati laser, erano l unico metodo di misura accurato per frequenze ottiche L incertezza restava limitata a parti in (al meglio) 35

36 Nobel Gallery/ Roy J. Glauber "for his contribution to the quantum theory of optical coherence" John L. Hall Theodor W. Hänsch "for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique" D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

37 Anche i laser diventano orologi/2 La soluzione del problema della misura accurata delle frequenze ottiche con un Pettine di Frequenza generato da un Laser impulsato al femtosecondo Confrontaunafrequenzaottica(10 14 Hz) direttamentecon unamicroonda(10 10 Hz) con incertezze<<1 mhz ( ) 37

38 Dal Cesio agli orologi Ottici: Verso la ridefinizione del secondo 1E-9 1E-10 1E-11 Essen Parry Iodine/HeNe H Pettini Ottici Accuratezza relativa 1E-12 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 Orologi Cs Orologi con Transizioni Ottiche Ca H Cs Comm. H Lab Cs Beam Hg+, Yb+, Sr+, Ca Sr, Yb Al+, Hg+ 1E-17 Al+ 1E-18 Fontane Cs Anno OFIS Como, 27 settembre

39 OrologiOttici Molti sitemi atomici offrono buone transizioni per farci un orologio: Sr, Hg, Yb,Sr+, Yb+, Hg+, Al+ All INRIM abbiamo scelto l Ytterbio neutro Blu Trap 399 nm 1 P 1 Green Trap 556 nm 3 P 1 Clock 578 nm 3 P 0 1 S 0 39

40 INRIM clock ensemble ULE cavity stabilized laser (Link, Optical Clock) Clock Laser 578 nm Femtosecond Laser optical comb Cryogenic Cs Fountain ITCsF2 Cs Fountain ITCsF1 Cs Primary References 3 H-Masers HM1 HM2 HM3 Yb lattice clock (in progress)

41 Cs 9.2 GHz Q=10 10 u<2x10-16 Sr 698 nmq=10 17 u<5x10-17 Quale orologio atomico? Rb 6.8 GHz Q=10 10 u<5x10-16 Yb 578 nmq=10 16 u<5x10-17 H 1.5 GHz Q=10 7 u<5x10-13 Hg 266 nm Q=10 15 u<1x10-15 Hg+ 282 nmq=10 17 u<5x10-18 Al+ 267 nmq=10 17 u<5x10-18 Yb+ 436 nmq=10 14 u<5x10-18 OFIS Como, 27 settembre

42 Al+ Logic ion clock: oggi, l orologio più accurato (e il più complesso). Ottimo anche per il quantum computing! The Time Machine Factory, Turin, 19 October

43 D. J. Wineland: Laser cooling, Quantum computing, Logic Ion Al+ optical clock OFIS Como, 27 settembre

44 A Nobel Gallery/ David J. Wineland and Serge Haroche "for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems" OFIS Como, 27 settembre

45 OROLOGI ATOMICI E TEST DI FISICA FONDAMENTALE OFIS Como, 27 settembre

46 Orologi atomici per la fisica fondamentale: perché? Motivi intrinseci: - misurano il tempo, che in Relatività è la quarta dimensione dello spazio - si fondano sulla meccanica quantistica delle interazioni atomiche fondamentali Ma c è dell altro: gli orologi di oggi sono indispensabili per misurare fenomeni piccoli (ad esempio quelli relativistici), perché sono gli strumenti più stabili ed accurati che esistano. Paradigma moderno della New Physics: ALTA ENERGIA oppure ALTA ACCURATEZZA OFIS Como, 27 settembre

47 Oltre la Relatività Generale? D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

48 Red-shift Gravitazionale Relatività Generale : Un potenziale gravitazionale W deforma la metrica spaziotemporale e sposta la frequenzadiunorologio νrispettoaν 0 su unpotenzialediriferimentow 0 Nel limite di campo debole W/c 2 << 1, c velocità della luce, W 0 riferimento di potenziale): Sulla Terra (rispetto al W 0 del Geoide): v 0 v( r) W ( r) = v 2 0 c W v0 10 f v( r ) g m = 1.09 m 2 v c 0 OFIS Como, 27 settembre

49 Local Position Invariance In campi gravitazionali deboli, il principio di equivalenza di Einstein (EEP) porta l invarianza locale di posizione(local POSITION INVARIANCE, LPI): SPECIE ATOMICHE DIVERSE RISENTONO DELLO STESSO RED SHIFT GRAVITAZIONALE Due orologi A e B, che usano due diverse specie atomiche ν ν A B ν = ν A0 B0 [1 + ( β A β B ) W c 2 ] RELATIVITA GENERALE β = A β B OFIS Como, 27 settembre

50 ν ν Test LPI A B ν = ν A0 B0 W [ 1+ ( β A β B ) ] 2 c β A β Mg-Cs (IEN-1992) β Mg β Cs B = Cs-H (PTB-2002) β Cs β H 7 10 Cs-Hg + (NIST-2007) β Cs β Hg Cs-H (NIST-2007) β Cs β H OFIS Como, 27 settembre

51 Oltre il Modello Standard delle particelle? OFIS Como, 27 settembre

52 Le CostantiFondamentali sonocostanti? Molte teorie oltre il modello standard vivono in N dimensioni con N>4 Esempio: Teorie di Kaluza-Klein (KK) e quindi teorie di corda; teorie di membrana IN TUTTI I MODELLI OLTRE LO STANDARD, le costanti extra-dimensionali sono fissate, ma le costanti dell universo 4-dimensionale variano nello spaziotempo. La ricerca di una variazione delle costanti fondamentali è un test diretto per una teoria oltre il modello standard. Anche molte teorie proposte per spiegare Dark Energy/ Dark Matter, presuppongono l esistenza di campi scalari che causano variazioni delle costanti OFIS Como, 27 settembre

53 Confronto tra frequenze atomiche e costanti fondamentali N α g Electronic p I 2 Ca H Hg + m m e p N α g I m m Hyperfine structure Cs H Rb Hg +.. e p g g I p Cs 2 α g I CH 4 OsO 4 Vibrational m m e p g I m m e p me M g p m m e p Mg Ca Fine Structure Nel confronto tra le frequenze didue transizioniatomiche, il rapporto è proporzionale alla combinazione di alcune costanti fondamentali d dt Primo Test Sperimentale: Mg vs Cs allo IEN g m m e 13 p / p Godone et al. PRL 71, 2364 (1993) yr OFIS Como, 27 settembre

54 Fine structure stability using atomic clocks α& = α µ& = µ Fine Structure Constant 2 α = e / 4ε hc 0 e electron charge h Planck constant c speedof light (2 ± ( 2 ± 2) 10 4) µ m / / / e m p m e electron mass m p protonmass year year OFIS Como, 27 settembre

55 Orologi Atomici vs Spettri Quasar? Constant Limit (yr -1 ) Z Method <0.4 X Clock comparisons <0.5 X Oklo reactor α <3.4 X Re decay (6.4±1.4) X Quasar spectra <1.2 X Quasar spectra α W <1 X Oklo reactor m e /m p <3 X Quasar spectra Una questione ancora aperta! OFIS Como, 27 settembre

56 Le tecniche atuali di confronto remoto tra orologi NON CONSENTONO di ragiungere adeguata accuratezza Dai Lab a uno Spazio Europeo di Ricerca Metrologica Cs servono Confronti di orologi con la tecnica del LINK OTTICO in Fibra (progetto in sviluppo) Cs Una NUOVA INFRASTRUTTURA per lo Spazio Europeo di Ricerca: - Rete Euopea di Labs collegati in Fibra Ottica dedicata per trasferimento accurato di Frequenza - Migliori test di gravità e Costanti Fondamentali -Nuovi scenari ora impossibili (es. Test Onde Gravitazionali) - Nuove Scale di Tempo! Cs Sr, Cs Sr OFIS Como, 27 settembre

57 Prestazioni del Link Ottico 10-9 Tecniche Satellitari, GPS or TW Link Ottico 900 km realizzato Orologi Cs commerciali Orologi Ottici Fontane di Cs Link Ottico (atteso) Incertezza relativa tempo di misura /s OFIS Como, 27 settembre

58 Confronto di orologi remoti: il GPS OFIS Como, 27 settembre

59 Confronto di orologi remoti: il TWSTFT Two Way Satellite Time and Frequency Transfer OFIS Como, 27 settembre

60 ISTITUTO NAZIONALE METROLOGICO OROLOGIO PRIMARIO Optical Comb: da Microonde/RF a visibile LASER ULTRASTABILE 1.5 μm COMPENSAZIONE DEL RIUMORE DI FASE FIBRA OTTICA COMMERCIALE Link Ottico: principio SEGNALE ULTRASTABILE DI TEMPO E FREQUENZA LAB REMOTO OFIS Como, 27 settembre

61 Link Ottici in Europa ? ? ? OFIS Como, 27 settembre 2013

62 Un Network in Fibra di Istituzioni Scientifiche Italiane MILANO, IFN-CNR TORINO, INRIM BOLOGNA, INAF FIRENZE, UNIFI LENS, INO-CNR Progetto LIFT62

63 Conclusioni La metrologia di frequenza, con gli orologi atomici, è in viva interazione con la fisica quantistica (spettroscopia ad alta risoluzione, raffreddamento laser, interazioni fondamentali) L accuratezza dei campioni atomici di frequenza permette test e misure a supporto della fisica fondamentale Gli orologi atomici realizzano la definizione del Secondo con un accuratezzadi2x10-16 (FontanediCesio) Gli orologi ottici stanno superando in accuratezza gli orologi al Cesio, si avvicina il momento di una redefinizione del secondo GliorologiatomiciverificanolaRelativitàGeneralea2x10-6 Gli orologi atomici verificano il Modello Standard con i test sulla stabilità delle costanti: <2x10-17 /yr per la costante di struttura fine I link ottici sono soli in grado di sfruttare l acuratezza raggiunta D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre

64 Conclusioni/2 All INRIM sono state sviluppate tecniche di raffreddamento laserdegli atomi per la spettroscopia ad alta risoluzione E operativo un campione primario di frequenza a fontana con accuratezza relativa di 2x Un orologiootticoall Ytterbioneutroè in sviluppo (accuratezza attesa <10-16 ). Test accurati di fisica fondamentale Link ottico Torino-Bologna-Firenze e verso gli istituti europei OFIS2013, Como, 27 settembre

65 Questo e altro ancora in Ottobre 2013 D. Calonico -OFIS2013 -Como, 27 settembre