OROLOGIO OTTICO TRASPORTABILE MISURA PER LA PRIMA VOLTA LA GRAVITÀ - INRIM
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Torino, 15 febbraio 2018
Orologio ottico trasportabile misura per la prima volta la gravità
L’esperimento, condotto da un team internazionale, coordinato dall’Istituto Nazionale
di Ricerca Metrologica (INRIM), apre la strada a una misura di riferimento per la
superficie terrestre
Le predizioni della relatività generale di Einstein, secondo la quale lo scorrere del tempo
dipende dal campo gravitazionale, e lo sviluppo di orologi atomici sempre più precisi si compendiano
in una nuova disciplina: la geodesia relativistica. Questi gli sviluppi promessi dall’orologio atomico
ottico trasportabile, unico al mondo, con cui gli esperti dell'Istituto Nazionale di Ricerca
Metrologica (INRIM), del National Physical Laboratory (NPL) e del Physikalisch-Technische
Bundesanstalt (PTB) – gli istituti metrologici nazionali di Italia, Regno Unito e Germania – hanno
compiuto misure del potenziale gravitazionale presso il Monte Fréjus, al confine tra Italia e Francia.
I risultati dell’esperimento, frutto di questa collaborazione internazionale, sono stati appena
pubblicati sulla rivista scientifica Nature Physics [1].
È la prima volta che uno strumento così complesso come un orologio ottico, finora confinato
nei maggiori istituti di ricerca, esce da un laboratorio per effettuare misure sul campo. Lo hanno
reso possibile i ricercatori del PTB, sviluppando un orologio a reticolo ottico, funzionante con atomi
di stronzio, completamente trasportabile.
L’orologio ha viaggiato su un rimorchio, a vibrazioni e temperatura controllate, fino a
raggiungere il Laboratorio Sotterraneo di Modane (LSM), nel bel mezzo del tunnel stradale che
collega la Francia all’Italia, a 1300 metri di altitudine sul livello del mare.
In questo centro di ricerca multidisciplinare, gestito dal Centre National de la Recherche
Scientifique e dall'Università di Grenoble-Alpes, il team di ricercatori ha misurato la differenza tra il
potenziale di gravità dell'orologio all'interno della montagna e quello dei migliori orologi atomici
presenti all'INRIM, la fontana atomica al Cesio e un orologio ottico all’itterbio, situati a 90 km di
distanza, a Torino, in Italia, a un dislivello di circa mille metri rispetto al laboratorio del Fréjus.
Il confronto accurato tra questi orologi è stato reso possibile mediante un collegamento in
fibra ottica lungo 150 km, realizzato dall’INRIM, su infrastruttura del Consorzio Top—IX, per il
trasferimento di frequenza tra Torino e il laboratorio di Modane, e un pettine ottico di frequenza,
fornito dall’NPL.
INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica – Strada delle Cacce 91, 10135 Torino
Tel. +39 011 3919 1, Fax +39 011 34 63 84 – www.inrim.it inrim@inrim.it inrim@pec.it
Torino, 15 febbraio 2018
La differenza di gravità è stata quindi verificata mediante le tecniche geodetiche convenzionali
dai ricercatori dell’Università Leibniz di Hannover e le due misurazioni sono risultate coerenti.
Grazie alla loro precisione gli orologi ottici si candidano a diventare ottimi sensori quantistici
per la geodesia. Migliorando ancora le prestazioni dell’orologio trasportabile, si potranno rilevare
differenze di altitudine fino a un centimetro sulla superficie terrestre. Uno dei punti di forza di questi
dispositivi è la loro capacità di compiere misure del potenziale gravitazionale in un punto esatto
della superficie terrestre, al contrario di quanto accade con le tecniche satellitari (come quelle dei
progetti GRACE e GOCE), con cui si ottiene il valore medio su aree di centinaia di chilometri quadrati.
Misure ad alta risoluzione del potenziale di gravità potranno contribuire a migliorare la nostra
comprensione degli effetti geodinamici associati ai cambiamenti di massa sotto la superficie
terrestre e permetteranno di monitorare, con un'accuratezza senza precedenti, i cambiamenti del
livello del mare in tempo reale. Tenendo traccia delle tendenze stagionali e di lungo termine delle
masse di ghiaccio e delle variazioni globali della massa oceanica, sarà così possibile disporre di dati
utili per studiare e prevedere gli effetti dei cambiamenti climatici.
Questa tecnologia permetterà infine di standardizzare i vari sistemi nazionali di misura
dell’altitudine della superficie terrestre, mettendo al riparo da costosi errori di progettazione dovuti
a misure eseguite nello stesso modo, ma basate su punti di riferimento differenti. Ne è un esempio
il caso del ponte Hochrhein tra Germania e Svizzera, dove la costruzione su ogni lato ha condotto a
una discrepanza di 54 centimetri tra le due parti a causa di un diverso valore attribuito all’altitudine
del livello del mare.
Helen Margolis, Fellow in Optical Frequency Standards and Metrology presso l’NPL, ha
dichiarato:
"Il nostro esperimento di prova dimostra che gli orologi ottici potrebbero offrire un modo per
eliminare le discrepanze e armonizzare le misurazioni effettuate in diversi paesi”.
"Un giorno una simile tecnologia potrebbe aiutare a monitorare i cambiamenti del livello del
mare derivanti dai cambiamenti climatici".
Christian Lisdat, leader del gruppo 'Orologi a reticolo ottico' presso il PTB, ha dichiarato:
"Gli orologi ottici sono considerati gli orologi atomici di nuova generazione, che funzionano
non solo nei laboratori ma anche come strumenti di precisione mobili.”
"Questa cooperazione dimostra ancora una volta come discipline diverse come la fisica o la
metrologia, la geodesia e la ricerca sull'impatto climatico possano trarre beneficio l’una dall’altra".
INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica – Strada delle Cacce 91, 10135 Torino
Tel. +39 011 3919 1, Fax +39 011 34 63 84 – www.inrim.it inrim@inrim.it inrim@pec.itTorino, 15 febbraio 2018
Davide Calonico, responsabile del gruppo 'Orologi ottici e Link in Fibra' all'INRIM, ha
dichiarato:
"Abbiamo dimostrato che gli orologi ottici sono preziosi sensori quantistici e che la loro
tecnologia è vantaggiosa anche al fuori della metrologia primaria, in geodesia".
"Insieme orologi ottici e collegamenti in fibra ottica offrono la possibilità di accedere a nuove
e affascinanti indagini scientifiche"
Heiner Denker, Principal Investigator di Geodesia Relativistica e Gravimetria presso la
Università Leibniz di Hannover, ha dichiarato:
"Gli orologi ottici di nuova concezione hanno il potenziale per rivoluzionare la determinazione
dell'altezza geodetica, in quanto possono superare alcuni dei limiti delle tecniche geodetiche
classiche.”
"Gli orologi ottici potrebbero aiutare a stabilire un sistema di riferimento dell'altezza mondiale
unificato con un impatto significativo sulla ricerca geodinamica e climatica".
Riferimenti
[1] Jacopo Grotti, Silvio Koller, Stefan Vogt, Sebastian Häfner, Uwe Sterr, Christian Lisdat, Heiner
Denker, Christian Voigt, Ludger Timmen, Antoine Rolland, Fred N. Baynes, Helen S. Margolis, Michel
Zampaolo, Pierre Thoumany, Marco Pizzocaro, Benjamin Rauf, Filippo Bregolin, Anna Tampellini,
Piero Barbieri, Massimo Zucco, Giovanni A. Costanzo, Cecilia Clivati, Filippo Levi & Davide Calonico,
Nature Physics (2018), doi:10.1038/s41567-017-0042-3
Contatti
Davide Calonico
d.calonico@inrim.it
339 625 5621
Ufficio stampa INRIM
Silvia Cavallero
press@inrim.it
349 692 6393
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La nuova generazione di orologi atomici INRIM: l’orologio ottico basato sull’atomo di itterbio
La fontana atomica al cesio ovvero l’orologio atomico con cui l’INRIM realizza la definizione dell'unità di
tempo (il secondo) in Italia e contribuisce a generare il Tempo Atomico Internazionale (TAI)
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