Per oltre settant’anni, gli orologi atomici sono stati il gold standard indiscusso per misurare il tempo in modo preciso. Questi dispositivi tradizionali misurano il tempo tracciando le transizioni degli elettroni mentre passano avanti e indietro tra due stati di energia. Tuttavia, un cambiamento epocale sta per investire il mondo della metrologia e della fisica. Due articoli separati, pubblicati questa settimana sulla rivista scientifica Nature, presentano i primi orologi nucleari funzionanti. A differenza dei loro predecessori, questi nuovi orologi tengono il tempo monitorando il modo in cui la luce interagisce direttamente con un nucleo atomico. La proposta di tracciare le transizioni all’interno dei nuclei atomici per raggiungere livelli di precisione ancora più elevati risale al 2003. Il principio alla base di questa intuizione è che il nucleo, situato al centro dell’atomo, costituisce solo una piccolissima frazione del volume totale dell’atomo stesso. Questa natura compatta rende il nucleo intrinsecamente più robusto e meno suscettibile alle perturbazioni elettromagnetiche esterne rispetto al guscio elettronico, offrendo le basi per un sistema di misurazione teoricamente perfetto.
Il torio-229 e il cristallo magico: come funziona il nuovo orologio
Per realizzare un orologio nucleare, gli scienziati avevano bisogno di un elemento con caratteristiche uniche. Un isotopo radioattivo del metallo torio, il torio-229, è stato proposto come il nucleo ideale poiché il suo stato a bassa energia potrebbe consentire ai laser di tracciare la frequenza delle transizioni. L’energia di transizione di questo specifico isomero si trova nella gamma dell’ultravioletto da vuoto, rendendola l’unica transizione nucleare nota che può essere affrontata direttamente con l’attuale tecnologia laser. Entrambi i gruppi di ricerca hanno costruito i loro dispositivi incorporando nuclei di torio-229 all’interno di un cristallo di fluoruro di calcio. Inserendo quantità microscopiche di torio-229 in questo materiale ospite solido a temperatura ambiente, i ricercatori sono riusciti a creare un orologio sperimentalmente semplice e robusto. L’orologio funziona stabilizzando un laser a onda continua alla transizione nucleare di 148 nanometri utilizzando un feedback rapido basato sulla spettroscopia di assorbimento.
Precisione e stabilità: i primi risultati dei team di ricerca
La concretizzazione di questi orologi pionieristici è stata riportata dai team guidati dai ricercatori Thorsten Schumm e Shiqian Ding. Entrambi i gruppi sono riusciti a misurare la frequenza di transizione, registrando di fatto il “ticchettio” fondamentale dell’orologio nucleare. Il team di Ding ha dimostrato il funzionamento del proprio orologio stabilizzando un laser ultravioletto da vuoto a 148,4 nanometri e ottenendo un discriminatore nucleare veloce e con un elevato rapporto segnale-rumore. Questo specifico sistema ha raggiunto un’instabilità di frequenza frazionaria di cinque parti su dieci alla tredicesima potenza diviso la radice quadrata del tempo di media in secondi. Parallelamente, il team di Schumm ha confrontato continuamente una subarmonica della radiazione a 148 nanometri con un orologio a singolo ione di itterbio, registrando un’instabilità di frequenza frazionaria limitata dal rumore quantico pari a tre parti su dieci alla dodicesima potenza. Sebbene entrambi gli orologi abbiano mantenuto il tempo con una deriva minima, la loro stabilità attuale è ancora inferiore a quella dei migliori orologi atomici esistenti. Tuttavia, Schumm e colleghi sottolineano che il lavoro futuro potrebbe aumentare la stabilità di circa quattro ordini di grandezza, conferendo a questi dispositivi il potenziale per superare definitivamente gli orologi atomici.
Oltre la misurazione: a caccia di materia oscura e nuova fisica
L’aspetto più rivoluzionario dell’orologio nucleare va ben oltre la semplice misurazione del tempo, poiché un cronometraggio così accurato potrebbe facilitare la ricerca per sondare la fisica fondamentale. Poiché le energie di transizione negli atomi e nei nuclei dipendono dalle costanti fondamentali, una variazione di queste costanti nel tempo causerebbe l’oscillazione della frequenza dell’orologio. Il team di Schumm ha dimostrato con successo che il loro orologio può già eseguire un esperimento di fisica di precisione, rilevando la materia oscura a un livello che compete con i migliori orologi atomici. I ricercatori hanno utilizzato l’orologio nucleare per vincolare i modelli di materia oscura ultraleggera cercando fluttuazioni periodiche e derive lente nell’energia di transizione nucleare. L’energia eccezionalmente bassa della transizione dell’isomero del torio-229 è il risultato di una quasi-cancellazione casuale delle forze nucleari forti e delle forze elettromagnetiche, il che rende la transizione estremamente sensibile ai cambiamenti di queste interazioni fondamentali. Di conseguenza, i vincoli posti da questo nuovo strumento competono con i migliori orologi atomici per quanto riguarda l’accoppiamento della materia oscura ai fotoni, e superano le misurazioni precedenti per quanto riguarda l’accoppiamento alla forza forte.
Il futuro degli orologi a stato solido
Insieme, queste scoperte dimostrano il potenziale futuro dell’orologio nucleare per fornire un cronometraggio accurato e uno strumento di indagine senza precedenti. L’utilizzo di un numero macroscopico di nuclei fornito da un ospite a stato solido apre la possibilità di creare riferimenti di frequenza compatti e implementabili sul campo. L’infrastruttura basata sul cristallo di fluoruro di calcio fornisce una piattaforma solida e riproducibile per orologi nucleari compatti, sensori quantistici nucleari e test di precisione della fisica fondamentale. Con i futuri miglioramenti previsti nella potenza dei laser e la riduzione delle larghezze di riga di transizione, ci si aspetta che gli orologi nucleari a stato solido raggiungano instabilità nell’ordine di dieci alla meno quindici in un giorno di operatività. Questo progresso tecnologico è destinato a ridefinire il nostro concetto di tempo e a fornire all’umanità una lente di ingrandimento potentissima per decifrare l’architettura invisibile dell’universo.