Misura di frequenza ad alta precisione

Per molti esperimenti scientifici, i ricercatori hanno oggi bisogno di una frequenza di riferimento precisa con cui calibrare la misurazione del tempo dei loro dispositivi. Questi esperimenti includono, ad esempio, studi di spettroscopia, in cui le reazioni chimiche tra le molecole vengono analizzate in tempo reale, o studi fisici sulle costanti naturali.

La disponibilità di una frequenza di riferimento di così alta precisione potrebbe presto far parte dell'equipaggiamento di base degli istituti di ricerca svizzeri. Ricercatori dell'ETH di Zurigo, dell'Università di Basilea, dell'Istituto federale di metrologia (METAS), il "custode delle unità di misura della Svizzera", e della Fondazione Switch, che gestisce la Svizzera.e della Fondazione Switch, che gestisce la rete di dati accademici della Svizzera, sono riusciti a dimostrare in un progetto congiunto finanziato dal programma Sinergia del Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica che un segnale di riferimento così preciso può essere trasmesso attraverso l'infrastruttura di telecomunicazione convenzionale.

"Le prime esperienze mostrano che le analisi di spettroscopia chimica possono essere effettuate con un'accuratezza di 100 volte superiore rispetto al passato", riferisce Stefan Willitsch, professore di chimica fisica all'Università di Basilea e coordinatore del progetto. "Con questa accuratezza, le leggi della natura possono essere verificate con una precisione senza precedenti utilizzando misure spettroscopiche sulle molecole", aggiunge Frédéric Merkt, professore di chimica fisica all'ETH di Zurigo.

Correzione continua

In particolare, nell'ambito del progetto è stata creata una rete di prova che collega la sede centrale di Metas a Berna-Wabern con l'Università di Basilea e l'ETH di Zurigo. Il segnale di uscita, sincronizzato con l'orologio atomico di Metas grazie a una sofisticata procedura, viene trasmesso attraverso la rete in fibra ottica Switch a Basilea e Zurigo, dove i ricercatori possono utilizzarlo per calibrare i loro strumenti di misura.

"Affinché il segnale raggiunga effettivamente i ricercatori con la precisione desiderata, la trasmissione deve essere costantemente regolata. Anche le più piccole variazioni di lunghezza del cavo in fibra ottica, ad esempio a causa di vibrazioni o variazioni di temperatura, hanno un effetto sulla frequenza", spiega Jacques Morel, responsabile del laboratorio di fotonica, tempo e frequenza di Metas. Per questo motivo il segnale di Basilea e Zurigo viene riflesso a Berna, dove il segnale di uscita viene corretto di conseguenza.

Alta qualità, costi ridotti

"In Svizzera siamo solo all'inizio della creazione di una rete di questo tipo", spiega Jér?me Faist, che ha contribuito con la sua esperienza nella tecnologia laser come professore dell'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo. "In altri Paesi, come Italia, Germania e Francia, siamo già un passo avanti in questo senso".

In questi Paesi, le frequenze di riferimento sono state finora trasmesse in due modi, entrambi con svantaggi specifici: O il segnale viene inviato tramite una linea speciale; sebbene questo porti a un risultato fisicamente ottimale, è costoso. Oppure si utilizza l'infrastruttura esistente del fornitore di telecomunicazioni per la trasmissione. Sebbene questa soluzione sia notevolmente più economica, non è tecnicamente ottimale. Infatti, anche il segnale di riferimento per la misurazione del tempo viene trasmesso nella cosiddetta banda C, ossia a una frequenza fondamentale simile a quella del traffico dati. Da un lato, ciò significa che il segnale di riferimento è potenzialmente disturbato da altro traffico dati. Allo stesso tempo, un canale normalmente utilizzato per la trasmissione dei dati viene bloccato, complicando il funzionamento.

"Abbiamo ora sviluppato una terza via", spiega Fabian Mauchle, responsabile del progetto presso Switch: "Per motivi di costo, stiamo utilizzando la rete esistente di Switch, ma per la trasmissione del segnale di riferimento stiamo passando dalla banda C fisicamente ottimale, già fortemente occupata dal traffico dati, alla banda L ancora ampiamente libera, che ha una frequenza fondamentale diversa"."I risultati dimostrano che il segnale di riferimento può essere trasmesso anche in banda L con un'ottima qualità e che non è disturbato dal traffico dati. Per ottenere questo risultato, tuttavia, Switch ha dovuto apportare alcune modifiche all'infrastruttura di rete.

Rete internazionale di contatti

Il prossimo passo sarà quello di espandere ulteriormente la rete e collegare altre istituzioni in Svizzera, come il Cern di Ginevra, l'EPFL e l'Università di Neuch?tel. Si sta cercando di creare una rete internazionale di contatti anche a livello internazionale. L'obiettivo è quello di creare una rete transnazionale che consenta di confrontare i segnali di diversi orologi atomici.

Ciò consentirebbe anche di realizzare una misurazione del tempo ancora più precisa del secondo dell'unità SI. Gli attuali orologi atomici, che garantiscono una misurazione del tempo standardizzata in tutto il mondo, vengono confrontati con segnali satellitari nell'ordine dei gigahertz. Gli orologi atomici sincronizzati con segnali ottici nella gamma dei terahertz potrebbero misurare il secondo non più "solo" con la sedicesima cifra decimale, ma addirittura con la diciottesima cifra decimale. Tuttavia, questo è possibile solo se i segnali per confrontare questi orologi ottici con la luce sono trasmessi tramite fibre ottiche.

Interessante anche per altre discipline

Tra l'altro, la nuova rete potrebbe essere utile non solo per i chimici e i fisici, come aggiunge Faist. Potrebbe anche fornire nuove conoscenze agli scienziati della Terra. Questi ultimi non hanno bisogno di un segnale temporale di alta precisione per i loro esperimenti. Ma poiché anche le più piccole perturbazioni hanno un effetto sulla frequenza, potrebbe essere possibile rilevare vibrazioni sottili nel sottosuolo che non possono ancora essere rilevate con i dispositivi di misurazione esistenti.