I fisici compiono un passo importante nella creazione di un orologio “nucleare” ultra preciso!

Un orologio nucleare sarebbe più preciso e più stabile di un orologio ottico (come nella foto). Crediti: Andrew Brookes, National Physical Laboratory/Science Photo Library.

Gli orologi atomici misurano il tempo in modo così preciso che impiegano 30 miliardi di anni per andare avanti o indietro di un secondo. Hanno svolto un ruolo cruciale nello sviluppo dei sistemi GPS e di altre tecnologie.

Ma è giunto il momento che questa tecnologia di cronometraggio apra la strada a orologi ancora più precisi. È qui che entrano in gioco gli orologi “nucleari”. Gli orologi atomici utilizzano un atomo come oscillatore, mentre gli orologi nucleari utilizzano solo il nucleo di un atomo, da qui il loro nome.

Un orologio “nucleare” può misurare il tempo in modo molto più accurato rispetto ai migliori orologi atomici attualmente disponibili ed essere meno sensibile ai disturbi.

Oggi gli scienziati hanno fatto un grande passo avanti verso la creazione di un orologio nucleare ultrapreciso. Dopo decenni di tentativi, sono riusciti a manipolare l’unico atomo in grado di battere gli orologi atomici utilizzando la luce (laser). I risultati dell’esperimento sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.

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Le caratteristiche degli orologi atomici e nucleari

Per costruire un orologio, hai bisogno di due cose: un oggetto che oscilla periodicamente e un oggetto che conta le oscillazioni.

Nell’orologio atomico (o ottico), è un atomo che funge da oscillatore. Gli elettroni dell’atomo vengono energizzati, passando dallo stato fondamentale a uno stato eccitato (più energetico). Quando l’energia viene interrotta, ritorna al suo stato iniziale rilasciando un fotone corrispondente all’energia acquisita. Contiamo quindi la frequenza dei fotoni emessi dall’atomo quando gli elettroni eccitati ritornano al loro stato fondamentale.

Illustrazione dell'esperimento, che mostra un raggio laser che colpisce i nuclei degli atomi di torio-229 incorporati in un cristallo. Credito: TU Vienna. — Illustrazione dell’esperimento, che mostra un raggio laser che colpisce i nuclei degli atomi di torio-229 incorporati in un cristallo. Credito: TU Vienna.

Nell’orologio nucleare il principio è simile. La differenza è che invece dell’intero atomo viene utilizzata l’energia del nucleo dell’atomo. Il trucco consiste nell’energizzare il nucleo atomico utilizzando un laser, quindi misurare la radiazione emessa dal nucleo mentre ritorna al suo stato base. Finora la difficoltà stava nel fatto che di tutti i nuclei atomici conosciuti dalla scienza solo uno poteva essere utilizzato per questo scopo: il nucleo dell’elemento torio-229, e nessuno era ancora riuscito a energizzare il nucleo atomico del torio-229 utilizzando un laser.

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“Normalmente, i nuclei atomici non possono essere manipolati con i laser. L’energia dei fotoni semplicemente non è sufficiente”, spiega il fisico Thorsten Schumm, coautore dello studio.

Un ulteriore passo verso la creazione dell’orologio “nucleare”.

Tuttavia, i ricercatori sono riusciti, per la prima volta, a per energizzare un nucleo atomico del metallo radioattivo torio-229 utilizzando un laser ultravioletto, cambiandolo da uno stato energetico all’altro. La frequenza della luce assorbita ed emessa dal nucleo funziona come il ticchettio di un orologio. Questo risultato è stato raggiunto grazie alla collaborazione tra l’Università della Tecnologia di Vienna in Austria e l’Istituto nazionale di metrologia tedesco di Braunschweig.

Per osservare questa transizione da uno stato quantico a un altro, gli scienziati hanno posizionato atomi di torio-229 radioattivo in piccoli cristalli di fluoruro di calcio. Scansionando la regione prevista con un laser appositamente progettato, hanno finalmente trovato la frequenza giusta: circa 2 petahertz (1015 oscillazioni al secondo), che hanno rilevato identificando i fotoni emessi quando i nuclei tornavano al loro stato energetico più basso. Il team ha trovato la frequenza con una risoluzione 800 volte superiore a quella precedentemente trovata da altri ricercatori.

Illustrazione dell'eccitazione laser di un nucleo di torio 229, con neutroni e protoni in blu e rosso, che provoca la sua transizione ad uno stato eccitato isomerico (229mTh) di energia molto bassa (8,35574 eV). Quando il nucleo ritorna allo stato fondamentale, emette fotoni a 148,3821 nm. Questa transizione nucleare potrebbe essere utilizzata come frequenza di clock alla base di un dispositivo di temporizzazione estremamente preciso. Crediti: P. Thirolf/LMU; adattato da APS/A. Spaccapietre. — Illustrazione dell’eccitazione laser di un nucleo di torio 229, con neutroni e protoni in blu e rosso, che provoca la sua transizione ad uno stato eccitato isomerico (229mTh) di energia molto bassa (8,35574 eV). Quando il nucleo ritorna allo stato fondamentale, emette fotoni a 148,3821 nm. Questa transizione nucleare potrebbe essere utilizzata come frequenza di clock alla base di un dispositivo di temporizzazione estremamente preciso. Crediti: P. Thirolf/LMU; adattato da APS/A. Spaccapietre.

Per renderlo un vero orologio sarà necessario ridurre la risoluzione del laser, in modo che stimoli il nucleo atomico alla frequenza giusta per essere letto in modo affidabile, cosa che dovrebbe essere possibile nel prossimo futuro. Secondo i ricercatori, un orologio nucleare basato sul torio-229 potrebbe essere circa 10 volte più preciso dei migliori orologi ottici (atomici). Alloggiare i nuclei in un cristallo solido potrebbe anche rendere l’orologio più compatto e portatile rispetto ai sistemi ottici.

Riferimento articolo:

Tiedau, J. et al. Eccitazione laser del nucleo Th-229. Lettere di revisione fisica, v. 132, 2024.