Il team di Sandia Labs cerca di costruire l'orologio atomico più piccolo del mondo

Feb 15, 2024

Yuan-Yu Jau, investigatore senior del Sandia National Lab, vuole costruire l'orologio atomico più piccolo del mondo.

Se ci riuscirà, lui e il suo team dei Sandia National Laboratories realizzeranno un orologio atomico più piccolo di una zolletta di zucchero.

L'anno scorso la Defense Advanced Research Projects Agency ha sfidato i gruppi di ricerca a costruire orologi più piccoli e più accurati.

Jau sta guidando una delle due squadre Sandia che cercano di farlo.

"Vogliono un centimetro cubo per ogni cosa, e attualmente non esiste un orologio atomico di queste dimensioni", ha detto Jau in un comunicato stampa da Sandia.

Il design principale dell'orologio che Jau e il suo team stanno costruendo è di soli 0,04 centimetri cubi, afferma il comunicato.

La DARPA vuole che questi minuscoli orologi siano precisi entro un milionesimo di secondo dopo una settimana.

Sandia costruisce orologi compatti da decenni. Ha contribuito a sviluppare un orologio da 17 centimetri cubi, noto come orologio atomico Chip Scale, all’inizio degli anni 2000, circa le dimensioni di una scatola di fiammiferi. All'epoca era l'orologio atomico più piccolo del mondo ed è ancora il più piccolo disponibile sul mercato al dettaglio.

Il National Bureau of Standards degli Stati Uniti, ora National Institute of Standards and Technology, inventò il primo orologio atomico nel 1948.

Questi orologi misurano il tempo utilizzando segnali elettromagnetici emessi dagli elettroni attorno a un atomo, “rendendolo incredibilmente preciso”, secondo il comunicato.

Gli orologi atomici hanno consentito la realizzazione di ulteriori innovazioni, compreso il GPS.

La DARPA vuole creare orologi piccoli e precisi per aiutare i veicoli quando il GPS non è disponibile.

"Funziona come se si calcolasse la distanza percorsa da un'auto su un lungo tratto di autostrada", si legge nel comunicato. “Se guidi a una velocità costante di 60 miglia orarie, dopo un'ora saprai di aver percorso 60 miglia. Un orologio affidabile è metà dell’equazione.”

Sandia e DARPA vogliono che i suoi orologi siano 30 volte più precisi degli attuali orologi all'avanguardia su piccola scala.

Vogliono anche miglioramenti nel consumo energetico e nella sensibilità sia alla temperatura che alle vibrazioni.

"Questo è molto più impegnativo di quello che le persone hanno fatto finora", ha detto Jau nel comunicato.

Sandia ha affermato che riducendo le dimensioni, il peso e la potenza degli orologi atomici è più facile che i sistemi di navigazione avanzati possano avvantaggiare navi militari, droni e satelliti.

Jau è fiducioso che lui e il suo team possano costruire l'orologio poiché il piano ha essenzialmente 16 anni, secondo il comunicato.

Come insegnante di fisica all'Università di Princeton nel 2007, Jau costruì un prototipo che chiamò oscillatore atomico laser.

Eseguiva la stessa funzione di un orologio atomico ma aveva le dimensioni di una cassetta degli attrezzi. Aveva un impulso simile a un orologio derivante dal puntamento di un laser attraverso una nuvola di atomi di potassio.

Inoltre, era autonomo. L'oscillatore non aveva bisogno di apparecchiature elettroniche esterne per controllare il suo impulso periodico.

"L'hardware di supporto è comune in molti tipi di orologi atomici e di solito occupa la maggior parte dello spazio", afferma il comunicato. "Se rimuovessi l'elettronica di supporto da un CSAC delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, scopriresti che il ticchettio fisico avviene in un pacchetto grande solo all'incirca quanto un chicco di riso."

Jau ha costruito un prototipo più grande dell'orologio atomico perché farlo è più semplice.

"Sai, con le mie dita a salsiccia", ha detto nel comunicato.

Jau ha detto che sostituirà gli atomi di potassio al cesio e ridurrà il suo progetto utilizzando macchine e strumenti presso il complesso di ingegneria, scienza e applicazioni dei microsistemi di Sandia. È una struttura ibrida di ricerca, sviluppo e produzione per la microelettronica.

Poiché il progetto non necessita di hardware periferico, Jau pensa di poter ridurre drasticamente le dimensioni, il peso e i requisiti di potenza necessari per gli orologi atomici.

"Utilizzeremo solo il volume del pacchetto fisico esistente nell'orologio CSAC esistente, ma ci libereremo di quella complicata elettronica che lo circonda", ha detto Jau nel comunicato.

La DARPA ha fornito a Jau e al suo team due anni di finanziamenti e potrebbero riceverne di più se soddisfano i parametri di riferimento in termini di dimensioni e prestazioni.