Realizzazione di un orologio Rb pulsato pompato otticamente con stabilità di frequenza inferiore a $$10^{

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12974 (2023) Citare questo articolo

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Presentiamo le prestazioni di stabilità in frequenza di un orologio Rb a cella di vapore basato sulla tecnica di pompaggio ottico pulsato (POP). L'orologio è stato sviluppato nel quadro di una collaborazione tra INRIM e Leonardo SpA, con l'obiettivo di realizzare uno standard di frequenza POP qualificato per lo spazio. I risultati qui riportati sono stati ottenuti con un pacchetto di fisica ingegnerizzato, specificatamente progettato per applicazioni spaziali, abbinato ad ottica ed elettronica di laboratorio. La stabilità della frequenza misurata espressa in termini di deviazione di Allan è \(1,2\times 10^{-13}\) a 1 s e raggiunge il valore di \(6\times 10^{-16}\) per tempi di integrazione di 40000 s (deriva rimossa). Questo è, a nostra conoscenza, un risultato record per uno standard di frequenza di celle a vapore. Nell'articolo mostriamo che per ottenere questo risultato è necessaria un'attenta stabilizzazione degli impulsi a microonde e laser.

Grazie alla loro affidabilità, compattezza e buone prestazioni, gli orologi a celle di vapore sono oggi impiegati in un'ampia varietà di applicazioni scientifiche e tecnologiche che richiedono un cronometraggio preciso, unitamente a dimensioni, peso e consumo energetico ridotti (SWaP). È sufficiente menzionare che i sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS), le telecomunicazioni e la marcatura temporale delle transazioni finanziarie si basano tutti su segnali di tempo e frequenza precisi forniti da standard di frequenza atomica che molto spesso sono orologi a celle Rb1.

Gli orologi Rb comunemente usati sono dispositivi pompati a lampada: una lampada viene utilizzata come sorgente ottica per la preparazione dello stato atomico attraverso il processo di pompaggio ottico2. Tuttavia, sin dalla loro introduzione nella fisica atomica negli anni '80, i laser a diodi sono stati sfruttati con successo negli standard delle celle con l'obiettivo di migliorare il processo di pompaggio ottico. Inoltre, a causa del gran numero di lunghezze d'onda disponibili, i laser a diodi consentono l'uso di altri atomi, come il Cs, e sono adatti per implementare nuovi schemi di eccitazione, come l'intrappolamento di popolazione coerente (CPT) (vedi ad esempio3,4,5,6 ,7).

Attualmente, la ricerca sugli orologi a celle di vapore pompati tramite laser è un campo importante e attivo che abbraccia grosso modo due tendenze: da un lato la miniaturizzazione estrema, con l’obiettivo di realizzare orologi su scala di chip. D'altro canto, lo sviluppo di prototipi ad alta stabilità, con l'obiettivo di competere con gli orologi H-maser in termini di stabilità di frequenza, ma ottenendo SwaP inferiori.

Nel primo caso, sono stati dimostrati orologi a cella di vapore piccoli fino a 1 \(\hbox {cm}^3\) utilizzando una cella con scala mm8. Se da un lato questo processo di miniaturizzazione presenta numerosi vantaggi (ad es. consumo energetico di poche decine di mW, massa e costi di produzione ridotti), dall'altro la stabilità a breve termine è necessariamente limitata a unità di \(10^{ -10}\) a 1 s dalla dimensione della cella microfabbricata e quindi dal numero di atomi di metalli alcalini interagenti. È stato dimostrato che gli orologi atomici miniaturizzati funzionano con successo come base temporale per i futuri ricevitori GNSS9 e per misurazioni sismiche relative al rilevamento dei terremoti, al rilevamento acustico e all'esplorazione petrolifera sul fondo dell'oceano10. Inoltre, vengono sviluppati orologi atomici miniaturizzati in vista di future applicazioni nella strumentazione mobile e a bassa potenza o nei dispositivi portatili11.

La seconda linea di ricerca riguarda lo sviluppo di orologi a celle di vapore basati su laser con le più elevate prestazioni di stabilità. A questo proposito sono state ideate e studiate diverse tecniche, adottando nella maggior parte dei casi una disposizione cellulare su scala cm. Queste tecniche includono l'approccio a onda continua a doppia risonanza12, il pompaggio ottico pulsato (POP)13,14,15 e CPT, sia in regime continuo6,16 che pulsato17,18. Tra questi, lo schema POP garantisce prestazioni altamente migliorate sia rispetto agli attuali orologi Rb tradizionali che rispetto a nuove idee di ricerca concorrenti. Dopo i lavori fondamentali basati sul maser POP Rb19, è stato presto riconosciuto che il rilevamento ottico della popolazione dello stato fondamentale consente di ottenere i migliori risultati di stabilità della frequenza. Nello specifico, diversi gruppi di ricerca hanno misurato le deviazioni di Allan nell'intervallo da \(1\times 10^{-13}\) a \(3 \times 10^{-13}\) per 1 s di tempo di integrazione. Inoltre, in alcuni casi, le prestazioni a medio-lungo termine hanno raggiunto la regione bassa \(10^{-15}\) per \(10^4\) s di tempo di media13,14,16,20,21.