Fisici compiono un passo importante e senza precedenti nella creazione di un orologio “nucleare” ultra preciso

Gli scienziati hanno fatto un ulteriore passo avanti creando un tipo di orologio completamente nuovo basato su piccoli cambiamenti nell'energia di un nucleo atomico: l'orologio "nucleare", che potrebbe sostituire gli orologi atomici.

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

Gli orologi atomici misurano il tempo con una precisione tale che impiegano 30 miliardi di anni per spostarsi di un secondo avanti o indietro. Sono stati cruciali nello sviluppo dei sistemi GPS e di altre tecnologie. Ma è giunto il momento che questa tecnologia di misurazione del tempo apra la strada a orologi ancora più precisi. È qui che entrano in gioco gli orologi “nucleari”.

Negli orologi atomici è un atomo che funziona come oscillatore, mentre negli orologi nucleari viene utilizzato solo il nucleo dell'atomo, motivo per cui ricevono questo nome ("nucleare"). Un orologio "nucleare" può misurare il tempo in modo molto più accurato rispetto ai migliori orologi atomici attualmente disponibili, ed è anche meno sensibile ai disturbi.

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

Le caratteristiche degli orologi atomici e nucleari

Per costruire un orologio servono due cose: qualcosa che oscilli periodicamente e qualcosa che conti le oscillazioni. Nell'orologio atomico (o ottico), è un atomo che funziona come un oscillatore. Gli elettroni dell'atomo vengono energizzati, saltando da uno stato fondamentale a uno stato eccitato (di energia superiore).

Quando si spegne, ritorna al suo stato iniziale, rilasciando un fotone, corrispondente all'energia acquisita. Quindi viene contata la frequenza dei fotoni emessi dall'atomo quando gli elettroni energizzati ritornano al loro stato fondamentale.

Illustrazione dell'esperimento, che mostra un raggio laser che raggiunge 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 contenuta nel nucleo dell'atomo. Il trucco consiste nell'energizzare il nucleo atomico utilizzando un laser e quindi misurare la radiazione emessa dal nucleo mentre ritorna allo stato fondamentale.

La difficoltà fino ad allora era che di tutti i nuclei atomici conosciuti dalla scienza, solo uno poteva servire a questo scopo: il nucleo dell'elemento torio-229, e nessuno era ancora riuscito a energizzare il nucleo atomico del torio-229 con un laser. “Normalmente, i nuclei atomici non possono essere manipolati con i laser. L’energia dei fotoni semplicemente non è sufficiente”, ha spiegato il fisico Thorsten Schumm, coautore dello studio.

Un ulteriore passo avanti nella creazione dell’orologio “nucleare”.

Tuttavia, i ricercatori sono stati in grado, per la prima volta, di energizzare un nucleo atomico del metallo radioattivo torio-229 utilizzando un laser ultravioletto, facendolo cambiare tra i suoi stati energetici. E la frequenza della luce assorbita ed emessa dal nucleo funziona come il ticchettio di un orologio. Ciò è stato ottenuto grazie alla collaborazione tra l'Università della Tecnologia di Vienna in Austria e l'Istituto nazionale tedesco di metrologia 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 sviluppato, hanno finalmente trovato la frequenza giusta: circa 2 petahertz (1.015 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 migliore di quella precedentemente trovata da altri ricercatori.

eccitazione laser torio-229 — Illustrazione dell'eccitazione laser di un nucleo di torio-229, con neutroni e protoni in blu e rosso, che ne provocano la transizione verso uno stato isomerico eccitato (229mTh) che ha un'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 che costituisce la base di un dispositivo di temporizzazione estremamente accurato. Crediti: P. Thirolf/LMU; adattato da APS/A. Stonebraker..

Per trasformarlo in 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; e si ritiene che ciò sarà 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 contribuire a rendere l’orologio più compatto e portatile rispetto ai sistemi ottici.

Riferimento alla notizia:

Tiedau, J. et al. Laser Excitation of the Th-229 Nucleus. Physical Review Letters, v. 132, 2024.