Due gruppi di fisici hanno realizzato i primi orologi nucleari funzionanti al mondo, che sfruttano il nucleo dell’atomo anziché gli elettroni per misurare il tempo. Basati sul torio-229, questi strumenti potrebbero in futuro essere utilizzati nei satelliti e nelle reti di comunicazione
Da decenni gli strumenti più precisi per misurare il tempo si basano sul comportamento degli elettroni negli atomi. Ora, però, i ricercatori hanno sviluppato un'alternativa che sfrutta direttamente il nucleo dell’atomo. Due gruppi di fisici hanno infatti realizzato i primi orologi nucleari funzionanti al mondo. Un risultato ancora sperimentale, che apre tuttavia nuove prospettive per la precisione degli orologi e la ricerca scientifica.
I risultati ottenuti dai due gruppi di ricerca
Il primo gruppo è guidato da Thorsten Schumm della TU Wien, in collaborazione con Ekkehard Peik dell'istituto metrologico tedesco PTB di Braunschweig. Il secondo è coordinato da Ding Shiqian dell'Università Tsinghua di Pechino. I risultati sono stati pubblicati mercoledì 7 ottobre in due studi distinti sulla rivista Nature e “coronano un'idea che i fisici inseguono da quasi mezzo secolo”, come ha ricordato lo stesso Schumm. Entrambi gli orologi si basano sul torio-229, un isotopo radioattivo raro inserito in minuscoli cristalli di fluoruro di calcio. I due team di ricerca hanno lavorato in modo indipendente, utilizzando soluzioni sperimentali differenti.
Come funziona un orologio nucleare
Per misurare il tempo, ogni orologio ha bisogno di un fenomeno che si ripeta con regolarità. Negli orologi a pendolo, per esempio, questo compito è affidato al movimento oscillatorio di un peso. Negli orologi atomici, invece, si utilizza la luce di un laser, la cui frequenza viene agganciata al salto di un elettrone tra due livelli di energia. Oggi questa tecnologia è fondamentale per il funzionamento dei sistemi di navigazione satellitare, delle telecomunicazioni e per la definizione stessa del secondo. Gli orologi nucleari seguono un principio simile, ma utilizzano il nucleo dell'atomo, composto da protoni e neutroni. A cambiare stato energetico non sono gli elettroni, ma il nucleo stesso. Nonostante il nome, il funzionamento non prevede processi di fissione o fusione nucleare. Il laser viene utilizzato per portare il nucleo a uno stato energetico leggermente superiore e rilevarne la risposta. “L'idea di base è semplice: hai un laser e del torio”, ha spiegato Schumm. Il laser modifica lo stato energetico dei nuclei di torio, che a loro volta vengono utilizzati come riferimento per mantenere stabile la frequenza del laser. Il torio-229 ha una caratteristica particolare: è l'unico nucleo conosciuto che si presta a questo meccanismo. Gli altri richiederebbero energie fuori dalla portata di qualsiasi laser. Il torio-229, invece, può cambiare stato energetico attraverso luce ultravioletta con una lunghezza d'onda di 148,4 nanometri.
Perché gli orologi nucleari potrebbero essere più precisi
Uno dei principali vantaggi degli orologi nucleari riguarda la maggiore protezione del nucleo dalle interferenze esterne. Essendo estremamente piccolo e schermato dagli elettroni, il nucleo risente molto meno dei disturbi che possono influenzare il funzionamento degli orologi atomici. I due orologi realizzati dai ricercatori presentano alcune differenze. L'orologio sviluppato dall'Università Tsinghua si è dimostrato circa sei volte più stabile rispetto a quello realizzato a Vienna, pur utilizzando un cristallo di dimensioni inferiori a quelle di un chicco di riso. Al suo interno si trovano circa un milione di miliardi di nuclei di torio, una quantità duecento volte inferiore rispetto a quella impiegata dal rivale viennese.
Le altre differenze tra i due orologi
Il gruppo guidato da Ding ha scelto di utilizzare una concentrazione più bassa di torio e un laser più potente, che ricava la luce ultravioletta da vapori di cadmio scaldati a circa 600 gradi. Un altro risultato importante riguarda la riproducibilità degli orologi: due cristalli realizzati separatamente hanno infatti mostrato lo stesso “battito”. Questo suggerisce che sia possibile costruire più orologi nucleari capaci di funzionare in modo affidabile. A Vienna, inoltre, l'orologio nucleare è rimasto in funzione per 24 ore consecutive accanto a un orologio atomico a ioni di itterbio, collegato attraverso una fibra ottica lunga una decina di chilometri. Lo scarto misurato corrisponde a circa un secondo ogni 30 milioni di anni.
Per il momento, tuttavia, gli orologi nucleari non hanno ancora superato i dispositivi atomici più precisi. Secondo lo studio viennese, il miglior orologio atomico presenta uno scarto di circa un secondo ogni 55 miliardi di anni. L'importanza del risultato, però, non riguarda il raggiungimento di un nuovo record di precisione, ma la dimostrazione che questa tecnologia può funzionare.
Le possibili applicazioni e gli ostacoli
In futuro, gli orologi nucleari potrebbero essere utilizzati nei satelliti e nelle reti di comunicazione, grazie a dimensioni più ridotte e a una maggiore resistenza rispetto agli orologi atomici più avanzati. Potrebbero inoltre aiutare i ricercatori a studiare le leggi fondamentali della natura e a individuare eventuali tracce di materia oscura. Restano però alcune difficoltà, soprattutto legate alla scarsità del torio-229, la cui disponibilità mondiale è stimata intorno ai 40 grammi.
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