Una nuova tecnica laser misura la distanza tra laboratori lontani con una precisione pari a una frazione dello spessore di un capello
I laser sono da tempo ottimi per misurare le distanze con precisione, ma questo è un livello completamente nuovo.
Inviare laser ai satelliti è spesso associato all’idea di abbatterli, ma cosa succede se si vuole semplicemente misurare la loro altezza con estrema precisione? Una nuova applicazione della tecnologia laser, nota come “two-way dual-comb ranging” (TWDCR), ha dimostrato una precisione senza precedenti nel misurare la distanza tra strumenti distanti più di 100 chilometri (62 miglia). Miglioramenti nella misurazione a lunga distanza potrebbero aiutare i satelliti a volare meglio in formazione e migliorare l’accuratezza degli strumenti scientifici per la rilevazione delle onde gravitazionali e l’interferometria astronomica a lunghissima base, come quella utilizzata per l’immagine dei buchi neri.
I laser utilizzano una singola frequenza di luce, quindi ogni laser ha una lunghezza d’onda specifica, conosciuta con tale precisione che a un certo punto la lunghezza di un metro è stata definita utilizzando una linea di emissione del kripton. Ciò significa che il numero di lunghezze d’onda che un laser impiega per viaggiare fino a una posizione e tornare ci dà la distanza con straordinaria accuratezza. Almeno, questa è la teoria. Come notano gli autori della nuova ricerca, per lo più basati presso l’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, nella prepubblicazione del loro lavoro, che non ha ancora completato la revisione paritaria: “La misurazione a lunga distanza rimane tecnicamente impegnativa a causa dell’elevata perdita di trasmissione e del rumore.”
I ricercatori hanno cercato di affrontare questi problemi per molto tempo, e gli autori si riferiscono a diversi approcci che sono stati proposti per cercare di superarli, alcuni con successo dimostrato. Tuttavia, propongono che il TWDCR possa fare ancora meglio. La tecnica si basa su pettini di frequenza ottica (OFC). I pettini spettrali producono luce a lunghezze d’onda regolarmente distanziate, senza luce emessa tra di esse. Le loro applicazioni hanno visto i loro inventori vincere metà del Premio Nobel per la Fisica nel 2005. Sebbene gli OFC siano già utilizzati per misurazioni di distanza, i disturbi atmosferici significano che, prima della ricerca più recente, la misurazione a doppio pettine non era mai stata utilizzata su distanze superiori a un chilometro. In questo contesto, mirare a questa distanza è stato un salto notevole.
Gli autori hanno bloccato in fase i piani di riferimento nei laboratori di Nanshan e Gaoyazi agli orologi locali, piuttosto che sincronizzare entrambi a un orologio comune. Il resto del sistema di misurazione OFC è stato ristrutturato attorno a questo, pur continuando a basarsi sull’interferenza tra la luce riflessa dagli oggetti per misurare la distanza tra di essi. Tra le altre cose, questa configurazione produce meno perdita di potenza rispetto ai metodi esistenti. Utilizzando pettini con lunghezze d’onda centrali di 1545 e 1563 nanometri, i laser sono stati riflessi tra i siti distanti 113 chilometri (70,2 miglia), misurando la distanza con un errore dichiarato di soli 82 nanometri (0,000003 pollici). Questo è stato ottenuto utilizzando 21 secondi di misurazioni, ma anche in poco più di un millisecondo il team ha raggiunto una precisione inferiore alla larghezza di un capello umano.
Per il beneficio di eventuali terrapiattisti che in qualche modo sono capitati su questa pagina, il successo dipendeva dalla scelta di due laboratori ad alta quota con una valle tra di essi per ottenere una trasmissione non interrotta dalla curvatura della Terra. Con nessun altro metodo in grado di determinare la distanza tra i due siti a questa scala, non è possibile essere sicuri che i risultati siano corretti. Alcuni errori sistematici potrebbero mettere la distanza fuori di metri e rendere la precisione una copertura per l’inesattezza. Tuttavia, confermare il successo della tecnica su distanze più brevi, dove sono disponibili altri metodi, potrebbe aiutare a ridurre le preoccupazioni.
Questa distanza è ancora più breve rispetto a quella dal suolo ai satelliti. Tuttavia, con la maggior parte del viaggio verso lo spazio che avviene in un quasi totale vuoto, i raggi verso l’alto potrebbero dover affrontare meno interferenze atmosferiche rispetto a questo. Gli autori riconoscono che c’è un prezzo da pagare per i vantaggi del loro metodo. Il TWDCR è più difficile da configurare e il processo di estrazione dei dati è più complesso. Per misurazioni più brevi, non vale lo sforzo extra, ma trovare la distanza ai satelliti, ad esempio con tale precisione da poter misurare il campo magnetico terrestre, è un’altra questione.
La prepubblicazione è disponibile su ArXiv.org