AGI – Da decenni il tempo più preciso del pianeta è scandito dagli elettroni. Adesso c’è un’alternativa, e sta nel nucleo dell’atomo. Due squadre di fisici hanno costruito i primi orologi nucleari funzionanti al mondo.
La prima è guidata da Thorsten Schumm della TU Wien insieme a Ekkehard Peik dell’istituto metrologico tedesco PTB di Braunschweig, la seconda da Ding Shiqian dell’Università Tsinghua di Pechino.
I risultati sono usciti mercoledì 7 ottobre in due articoli distinti sulla rivista Nature. Coronano un’idea che i fisici inseguono da quasi mezzo secolo, come ha ricordato lo stesso Schumm, che ci lavora dal 2008.
Il ruolo chiave del torio-229
Entrambi gli strumenti si basano sul torio-229, un isotopo radioattivo raro inserito in minuscoli cristalli di fluoruro di calcio. I due gruppi hanno lavorato in modo indipendente, con soluzioni sperimentali diverse, e sono arrivati al traguardo quasi in contemporanea.
Già a giugno, quando Nature aveva dato una prima notizia dei due risultati, Schumm aveva parlato di una “competizione globale agguerrita ma amichevole”.
Come funziona un orologio nucleare
Ogni orologio ha bisogno di qualcosa che oscilli con regolarità. Nei vecchi orologi a pendolo è un peso che dondola. Negli orologi atomici è la luce di un laser, la cui frequenza viene agganciata al salto di un elettrone tra due livelli di energia. Il primo orologio atomico fu costruito negli Stati Uniti nel 1949.
Oggi questa tecnologia regge la navigazione satellitare, le telecomunicazioni e la definizione stessa del secondo. L’orologio nucleare segue la stessa logica, ma scende di un livello. A cambiare stato non sono gli elettroni, bensì il nucleo, il nocciolo di protoni e neutroni al centro dell’atomo.
Nonostante il nome, non c’è alcuna fissione né fusione. Il laser porta il nucleo in uno stato di energia appena più alto e ne legge la risposta.
«Hai un laser e del torio»
“L’idea di base è semplice: hai un laser e del torio”, ha spiegato Schumm. Il laser modifica lo stato energetico dei nuclei e i nuclei, a loro volta, tengono stabile la frequenza del laser, facendo da riferimento. Il torio-229 è l’unico nucleo conosciuto che si presta a questo meccanismo.
Gli altri richiederebbero energie fuori dalla portata di qualsiasi laser, mentre il torio-229 cambia stato con luce ultravioletta a 148,4 nanometri.
Perché potrebbe essere migliore degli orologi atomici
Il vantaggio di affidarsi al nucleo è che si tratta di un bersaglio minuscolo e schermato dagli elettroni che lo circondano. Per questo è molto meno esposto ai disturbi esterni che complicano la vita agli orologi atomici. I due orologi non sono gemelli.
Quello di Tsinghua si è rivelato circa sei volte più stabile del rivale viennese. Eppure usa un cristallo più piccolo di un chicco di riso, che contiene circa un milione di miliardi di nuclei di torio, duecento volte meno di quello impiegato a Vienna.
Il gruppo di Ding ha puntato su una concentrazione di torio più bassa e su un laser più potente, che ricava la luce ultravioletta da vapori di cadmio scaldati a circa 600 gradi.
Un risultato riproducibile
C’è poi un dato che pesa quanto la stabilità: due cristalli cresciuti separatamente hanno restituito lo stesso battito. È il segno che questi orologi si possono riprodurre in modo affidabile. A Vienna l’orologio è rimasto in funzione per 24 ore consecutive accanto a un orologio atomico a ioni di itterbio, collegato attraverso una decina di chilometri di fibra ottica.
Lo scarto registrato equivale a circa un secondo ogni 30 milioni di anni.
Alla ricerca della materia oscura
Il team ha poi usato lo strumento per cercare tracce di materia oscura ultraleggera. Non è emerso alcun segnale, ma la sensibilità si è dimostrata all’altezza dei migliori orologi atomici. Per ora nessuno dei due dispositivi supera i campioni in carica: secondo lo studio viennese, il miglior orologio atomico perde circa un secondo ogni 55 miliardi di anni. In questa fase, però, il punto non è il record.
Le applicazioni future
Un orologio nucleare a stato solido potrebbe diventare molto più compatto e robusto degli orologi atomici più avanzati, che lavorano con atomi intrappolati e raffreddati in laboratorio. Strumenti del genere potrebbero un giorno portare una precisione da laboratorio dove oggi non arriva, a cominciare dai satelliti e dalle reti di comunicazione.
Perché entusiasma i fisici
Il motivo che appassiona di più i ricercatori è un altro. L’energia della transizione del torio-229 nasce da un equilibrio delicatissimo tra le forze che tengono insieme il nucleo. Per questo dovrebbe reagire in modo amplificato a variazioni anche infinitesimali delle costanti fondamentali della natura.
Confrontando nel tempo orologi nucleari e atomici, i ricercatori sperano di verificare se quelle costanti siano davvero costanti e di intercettare l’eventuale impronta della materia oscura.
Le sfide ancora aperte
Gli ostacoli restano concreti. Il torio-229 è rarissimo, con una disponibilità mondiale stimata intorno ai 40 grammi, e questo limita il numero di laboratori in grado di sperimentare. Servono cristalli con meno difetti e una distribuzione più uniforme del torio, oltre a laser più potenti.
La velocità con cui il settore si muove, però, è evidente. Solo nel 2024 il gruppo di Schumm e Peik era riuscito per la prima volta a eccitare con un laser il nucleo del torio. Due anni e mezzo dopo, quello stesso nucleo scandisce il tempo.
