Più vicino a un orologio nucleare che misura il tempo in modo ultrapreciso

Roma – Il mondo scandisce il tempo attraverso i ticchettii degli orologi atomici, ma ora un nuovo tipo di orologio in fase di sviluppo, un orologio nucleare, potrebbe rivoluzionare il modo in cui misuriamo il tempo e studiamo la fisica fondamentale. A svilupparlo un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati del JILA, un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology, NIST, e dell’Università del Colorado Boulder, che ha dimostrato quali sono gli elementi chiave di un orologio nucleare. Descritto sulla rivista Nature, l’orologio nucleare è un nuovo tipo di dispositivo di misurazione del tempo che utilizza i segnali provenienti dal nucleo di un atomo. La squadra di ricerca ha utilizzato un laser ultravioletto appositamente progettato per misurare con precisione la frequenza di un salto energetico nei nuclei di torio inseriti in un cristallo solido. Gli scienziati hanno anche utilizzato un pettine ottico di frequenza, che agisce come un righello di luce estremamente preciso, per contare il numero di cicli di onde ultraviolette che creano questo salto di energia. Sebbene questa dimostrazione di laboratorio non sia un orologio nucleare completamente sviluppato, contiene tutta la tecnologia di base per realizzarne uno. Gli orologi nucleari potrebbero essere molto più precisi degli attuali orologi atomici, che forniscono l’ora ufficiale internazionale e svolgono un ruolo importante in tecnologie come il GPS, la sincronizzazione di Internet e le transazioni finanziarie. Per il grande pubblico, questo sviluppo potrebbe significare sistemi di navigazione ancora più precisi, con o senza GPS, velocità di internet più elevate, connessioni di rete più affidabili e comunicazioni digitali più sicure. Al di là della tecnologia quotidiana, gli orologi nucleari potrebbero migliorare i test delle teorie fondamentali sul funzionamento dell’universo, portando potenzialmente a nuove scoperte nel campo della fisica. Potrebbero aiutare a rilevare la materia oscura o a verificare se le costanti della natura sono davvero costanti, consentendo di verificare le teorie della fisica delle particelle senza la necessità di impianti di accelerazione di particelle su larga scala. Gli orologi atomici misurano il tempo sintonizzando la luce laser su frequenze che fanno saltare gli elettroni da un livello energetico all’altro. Gli orologi nucleari utilizzerebbero i salti di energia all’interno della minuscola regione centrale di un atomo, nota come nucleo, dove si concentrano le particelle chiamate protoni e neutroni. Questi salti di energia sono molto simili all’accensione di un interruttore. Una luce laser che emette l’esatta quantità di energia necessaria per questo salto può far scattare questo “interruttore” nucleare. Un orologio nucleare avrebbe grandi vantaggi in termini di precisione. Rispetto agli elettroni degli orologi atomici, il nucleo è molto meno influenzato da disturbi esterni come i campi elettromagnetici vaganti. La luce laser necessaria per provocare salti di energia nei nuclei ha una frequenza molto più alta di quella richiesta dagli orologi atomici. Questa frequenza più alta, che significa un maggior numero di cicli d’onda al secondo, è direttamente correlata a un maggior numero di “ticchettii” al secondo e porta quindi a un cronometraggio più preciso. Ma, è molto difficile creare un orologio nucleare. Per fare salti di energia, la maggior parte dei nuclei atomici deve essere colpita da raggi X coerenti, una forma di luce ad alta frequenza, con energie molto superiori a quelle che possono essere prodotte con la tecnologia attuale. Per questo gli scienziati si sono concentrati sul torio-229, un atomo il cui nucleo ha un salto energetico minore di qualsiasi altro atomo conosciuto, che richiede la luce ultravioletta, che ha un’energia inferiore a quella dei raggi X. Nel 1976, gli scienziati hanno scoperto questo salto energetico del torio, noto come “transizione nucleare”, nel linguaggio della fisica. Nel 2003, gli scienziati hanno proposto di utilizzare questa transizione per creare un orologio, ma l’hanno potuta osservare direttamente solo nel 2016. All’inizio di quest’anno, due diversi gruppi di ricerca hanno utilizzato laser ultravioletti creati in laboratorio per attivare l’“interruttore” nucleare e misurare la lunghezza d’onda della luce necessaria per farlo. Nel nuovo lavoro, i ricercatori del JILA e i loro colleghi hanno creato tutte le parti essenziali di un orologio: la transizione nucleare del torio-229 per fornire i “ticchettii” dell’orologio, un laser per creare salti di energia precisi tra i singoli stati quantici del nucleo e un pettine di frequenza per misurare direttamente questi “ticchettii”. Questo sforzo ha permesso di raggiungere un livello di precisione un milione di volte superiore rispetto alla precedente misurazione basata sulla lunghezza d’onda. Inoltre, hanno confrontato questa frequenza ultravioletta direttamente con la frequenza ottica utilizzata in uno degli orologi atomici più precisi al mondo, che utilizza atomi di stronzio, stabilendo il primo collegamento diretto in frequenza tra una transizione nucleare e un orologio atomico. Questo collegamento diretto di frequenza e l’aumento della precisione sono un passo fondamentale per lo sviluppo dell’orologio nucleare e la sua integrazione con i sistemi di cronometraggio esistenti. La ricerca ha già dato risultati senza precedenti, tra cui la capacità di osservare dettagli nella forma del nucleo di torio che nessuno aveva mai osservato prima: è come vedere singoli fili d’erba da un aereo. Sebbene non si tratti ancora di un orologio nucleare funzionante, si tratta di un passo fondamentale verso la creazione di un orologio che potrebbe essere portatile e altamente stabile. L’uso del torio incorporato in un cristallo solido, combinato con la ridotta sensibilità del nucleo ai disturbi esterni, apre la strada a dispositivi di misurazione del tempo potenzialmente compatti e robusti. “Immaginate un orologio da polso che non perda un secondo anche se lo lasciate in funzione per miliardi di anni”, ha dichiarato Jun Ye, fisico del NIST e del JILA. “Anche se non ci siamo ancora arrivati, questa ricerca ci avvicina a questo livello di precisione”, ha aggiunto Ye. (30Science.com)