Gli orologi nucleari portano il tempo atomico dentro il nucleo
Per oltre settant’anni, gli orologi più precisi del mondo hanno tenuto il tempo osservando gli elettroni saltare tra i livelli energetici degli atomi. Ora i fisici hanno spinto lo stesso trucco un livello più in profondità, nel nucleo stesso. Due team di ricerca, uno guidato da scienziati dell’Università Tsinghua in Cina e uno che coinvolge diversi paesi europei, hanno riportato sulla rivista Nature di aver costruito ciascuno un orologio nucleare al torio-229 che funziona in un ciclo stabile e autocorrettivo. È la prima volta che un riferimento temporale funzionante si basa sui livelli energetici all’interno di un nucleo atomico anziché sulla nuvola elettronica che lo circonda. Thorsten Schumm, fisico atomico alla TU Wien in Austria e membro principale del team europeo, ha definito il risultato un sogno diventato realtà, osservando che solo poco tempo fa il campo era una nicchia tranquilla.
L’attrattiva del torio-229 è una particolarità della fisica nucleare. La maggior parte dei nuclei atomici richiede enormi quantità di energia per passare da uno stato all’altro, il che li rende irraggiungibili dai normali laser. Il torio-229 ha uno stato eccitato insolitamente basso, raggiungibile con luce nell’intervallo ultravioletto. Ciò rende possibile pilotare la transizione con un laser e leggere il ticchettio, allo stesso modo in cui funzionano gli orologi atomici ottici.
Un nucleo è molto più piccolo di un atomo e molto meglio schermato dal mondo esterno, quindi un orologio nucleare dovrebbe essere meno disturbato da campi elettrici e magnetici dispersi e dalle variazioni di temperatura. I ricercatori si aspettano che ciò si traduca in una maggiore stabilità e, alla fine, in una precisione migliore rispetto ai migliori orologi ottici odierni, che altrimenti perderebbero meno di un secondo nell’età dell’universo.
I due risultati sono arrivati quasi contemporaneamente e attraverso percorsi tecnici diversi, il che è di per sé significativo. Gruppi concorrenti che convergono sullo stesso traguardo suggeriscono che i difficili problemi ingegneristici — trovare la giusta lunghezza d’onda laser, agganciarla alla transizione e mantenere l’intero sistema in funzione in modo stabile — stanno ora venendo risolti anziché solo teorizzati. I team cinese ed europeo hanno ciascuno dimostrato un ciclo chiuso, il che significa che l’orologio può correggersi continuamente invece di affidarsi a misurazioni intermittenti.
Perché tutto questo conta al di fuori di un laboratorio di metrologia? Orologi migliori affinano i satelliti di navigazione, le reti di telecomunicazioni e i timestamp da cui dipendono i sistemi finanziari. Essi inoltre sostengono i test della fisica fondamentale: un orologio sensibile alle forze nucleari potrebbe sondare se le costanti della natura sono davvero costanti e cercare effetti sottili che gli orologi atomici ordinari non possono vedere. Alcuni ricercatori hanno anche proposto le transizioni nucleari come via verso standard di frequenza più precisi per le future generazioni di tecnologia.
Il lavoro è ben lontano da uno strumento commerciale. Gli orologi nucleari rimangono macchine da laboratorio delicate e affamate di laser, e trasformarle in dispositivi robusti richiederà anni. Ma la direzione è chiara. La corsa globale alla misurazione di precisione quantistica — un campo che include orologi atomici, sensori di gravità e magnetometri quantistici — si sta intensificando, e il risultato del torio sposta un’idea esotica nel regno dell’hardware funzionante.
Per la comunità scientifica cinese, il risultato di Tsinghua è un indicatore di quanto sia avanzata la ricerca quantistica nazionale. I laboratori cinesi sono diventati contributori regolari all’avanguardia della misurazione di precisione, insieme a gruppi di lunga data in Europa e Nord America. La pubblicazione quasi simultanea indica anche una realtà pratica: il progresso in questo campo dipende ancora dalla condivisione delle conoscenze, dalla collaborazione transfrontaliera e dalla pubblicazione aperta, anche mentre la competizione si intensifica.
Per ora, il risultato è meglio compreso come una prova di principio con una lunga coda. Un orologio che tiene il tempo all’interno del nucleo non è più un esperimento mentale. Il prossimo decennio deciderà quanto preciso potrà diventare e quali applicazioni — dalla geodesia alla fisica fondamentale — saranno le prime a beneficiare di un ticchettio che proviene dal cuore dell’atomo.