Sono stati costruiti in Europa e in Cina i primi orologi nucleari al mondo, dispositivi alimentati dai nuclei di atomi e basati su un principio diverso rispetto a quello degli attuali orologi atomici. La novità emerge da due studi indipendenti condivisi su arXiv dai ricercatori dell’Università tecnica di Vienna e dell’Università di Tsinghua in Cina. Le prestazioni non sono ancora paragonabili a quelle degli strumenti atomici oggi più avanzati, ma il risultato dimostra che gli orologi nucleari hanno il potenziale per passare dalla teoria alla realtà. Si tratta di un traguardo scientifico importante, perché apre la strada a una nuova generazione di strumenti per la misurazione del tempo, potenzialmente più stabili e meno sensibili alle interferenze esterne. A rendere il risultato particolarmente significativo è il fatto che due gruppi di ricerca indipendenti siano riusciti a sviluppare dispositivi basati sullo stesso elemento chiave, il torio-229, ma con approcci sperimentali differenti. Da un lato, il team europeo ha realizzato un orologio autonomo completo; dall’altro, il gruppo cinese ha verificato la costanza del “ticchettio” nucleare in cristalli prodotti indipendentemente.
Come funzionano gli orologi nucleari rispetto agli orologi atomici
Gli orologi atomici tradizionali misurano il tempo sfruttando il preciso “ticchettio” degli elettroni che passano da uno stato energetico all’altro quando vengono stimolati da un laser. Questo principio ha permesso di ottenere strumenti estremamente precisi, alla base di molte tecnologie moderne e degli standard di tempo più avanzati. Gli orologi nucleari, invece, misurano il tempo monitorando le variazioni di energia all’interno del nucleo atomico. La differenza è sostanziale: non sono gli elettroni, collocati nelle regioni più esterne dell’atomo, a fornire il riferimento temporale, ma il nucleo stesso, situato in profondità al centro dell’atomo. Questo rende il nucleo molto meno suscettibile alle interferenze esterne rispetto agli elettroni. Proprio per questa ragione, gli orologi nucleari potrebbero rivelarsi più stabili degli attuali orologi atomici, offrendo in prospettiva un nuovo standard di precisione nella misura del tempo.
Il ruolo decisivo del torio-229 nei nuovi orologi nucleari
Entrambi i gruppi di ricerca hanno sviluppato i loro orologi nucleari partendo da nuclei di torio-229, incorporati in cristalli di fluoruro di calcio e interrogati con luce laser ultravioletta nel vuoto. Il torio-229 è al centro di questo sviluppo perché consente di lavorare con una transizione energetica nucleare accessibile attraverso tecniche laser. Nei due esperimenti, i nuclei sono stati inseriti in cristalli di fluoruro di calcio, che hanno fornito l’ambiente materiale necessario per osservare e controllare il comportamento del sistema. Da questa base comune, tuttavia, i percorsi dei due gruppi si sono differenziati. Il team europeo ha puntato sulla realizzazione di un orologio completo e autonomo, mentre quello cinese si è concentrato sulla riproducibilità del segnale nucleare in cristalli distinti.
Il team europeo realizza un orologio nucleare autonomo completo
Il gruppo europeo, guidato dal fisico italiano Luca Toscani De Col, ha realizzato un orologio nucleare autonomo completo, utilizzando il nucleo di torio-229 per stabilizzare continuamente una frequenza laser. In questo approccio, il nucleo non è stato soltanto osservato come oggetto di studio, ma è diventato parte attiva del funzionamento dell’orologio. La frequenza laser è stata mantenuta stabile grazie al riferimento fornito dal nucleo di torio, trasformando il sistema in un dispositivo operativo. Il funzionamento e la stabilità a lungo termine sono stati dimostrati attraverso il confronto con un orologio atomico a ioni di itterbio già esistente. Questo confronto ha permesso di valutare il comportamento dell’orologio nucleare nel tempo e di verificarne la capacità di operare come sistema autonomo.
Il team cinese verifica la riproducibilità del ticchettio nucleare
Il gruppo cinese, guidato dal fisico Beichen Huang, ha seguito un approccio diverso. Il team ha testato il proprio orologio nucleare in due cristalli prodotti indipendentemente, con l’obiettivo di stabilire se il “ticchettio” fosse costante. Il risultato è stato significativo: gli orologi hanno prodotto frequenze quasi identiche. Questo dato suggerisce che gli orologi nucleari potrebbero diventare standard riproducibili, non soltanto semplici dimostrazioni di laboratorio. La riproducibilità è un passaggio fondamentale per qualsiasi tecnologia destinata a trasformarsi in standard di riferimento. Il fatto che cristalli prodotti indipendentemente abbiano restituito frequenze quasi identiche indica che il principio alla base degli orologi nucleari al torio-229 può essere controllato e replicato.
Perché gli orologi nucleari potrebbero superare gli orologi atomici
La prospettiva più rilevante riguarda la possibile maggiore stabilità degli orologi nucleari rispetto agli attuali orologi atomici. Poiché il nucleo si trova in profondità al centro dell’atomo, è molto meno esposto alle interferenze esterne che possono invece influenzare gli elettroni. Gli elettroni occupano le regioni più esterne dell’atomo e sono quindi più sensibili all’ambiente circostante. Il nucleo, al contrario, è più schermato e può offrire un riferimento più robusto. Questa caratteristica potrebbe rendere gli orologi nucleari strumenti più stabili, capaci di mantenere una frequenza di riferimento con minori perturbazioni. Anche se le prestazioni attuali non sono ancora paragonabili a quelle dei migliori orologi atomici, la dimostrazione sperimentale realizzata in Europa e in Cina rappresenta un passo concreto verso una tecnologia finora considerata soprattutto teorica.
Nuovi strumenti per studiare materia oscura e costanti fondamentali
Gli orologi nucleari potrebbero diventare potenti strumenti per studiare fenomeni fondamentali della fisica, tra cui la materia oscura e possibili cambiamenti nelle costanti fondamentali della natura. La loro potenziale stabilità li rende particolarmente interessanti per esperimenti di altissima precisione. Variazioni minime nelle frequenze misurate potrebbero offrire indicazioni su fenomeni fisici ancora poco compresi, o su eventuali cambiamenti nei parametri fondamentali che regolano la natura. In questo scenario, gli orologi nucleari al torio-229 non rappresentano soltanto una nuova tecnologia per misurare il tempo, ma anche una possibile piattaforma sperimentale per indagare alcuni dei temi più complessi della fisica contemporanea.
Due studi indipendenti per una svolta nella misura del tempo
I due studi condivisi su arXiv mostrano che la corsa agli orologi nucleari sta entrando in una fase sperimentale concreta. Il lavoro dell’Università tecnica di Vienna e quello dell’Università di Tsinghua confermano, con metodi diversi, la possibilità di costruire dispositivi basati sulle transizioni energetiche del nucleo di torio-229. Il risultato europeo mette in evidenza la possibilità di realizzare un orologio nucleare autonomo, capace di stabilizzare continuamente una frequenza laser e di confrontarsi con un orologio atomico già esistente. Il risultato cinese, invece, rafforza l’idea che il segnale nucleare possa essere riprodotto in modo coerente in cristalli indipendenti. Insieme, i due lavori indicano che gli orologi nucleari non sono più soltanto un obiettivo teorico. Pur essendo ancora in una fase iniziale rispetto agli attuali orologi atomici, la loro realizzazione in Europa e in Cina segna un passaggio decisivo verso una nuova generazione di strumenti per la precisione temporale e per la ricerca sui fondamenti della fisica.