Gli orologi nucleari sono più vicini: in cosa differiscono da quelli atomici e perché è importante

Perdere un secondo ogni 300 miliardi di anni è considerato ancora un errore inaccettabile in fisica. Ecco perché gli orologi nucleari sono la prossima frontiera della misurazione del tempo a differenza degli orologi atomici (ecco cosa sono e come funzionano questi ultimi).

Ma a che punto siamo con la ricerca? Un nuovo risultato apre la strada a questa nuova tecnologia: andiamo a scoprire tutti i dettagli.

Vediamo cosa sono gli orologi nucleari e in cosa differiscono da quelli atomici.

Cos'è un orologio atomico

Gli orologi atomici si basano sulla fisica degli elettroni che circondano gli atomi. All'interno di quegli atomi, gli elettroni stazionano in singoli livelli di energia.

Quando un elettrone cambia i livelli di energia, assorbe o emette luce con una frequenza identica per tutti gli atomi di un particolare elemento. Per convincere quindi un elettrone a saltare a un livello di energia più alto, bisogna dotarlo di una precisa quantità di energia, che viene fornita da un laser. Quell'energia corrisponde a una frequenza specifica della luce del laser.

Per entrare in quella frequenza, gli scienziati puntano un laser su una collezione di atomi e scansionano la frequenza del laser fino a quando gli elettroni non fanno il salto.

Quella frequenza viene poi utilizzata, come un metronomo atomico, per mantenere il tempo

Cos'è un orologio nucleare

Gli orologi nucleari sfruttano un meccanismo simile, ma invece che far fare il salto di energia agli elettroni, sfruttano le transizioni dei nuclei atomici.

Il problema è che i nuclei sono enormemente più stabili, e richiederebbero una quantità di energia enorme. Ma c'è un'eccezione: un isotopo (sintetico) dell'elemento torio (numero atomico 90), il torio-229.

In questo caso è richiesto un valore di energia insolitamente basso, accessibile ai laser.

Il problema è che non si sapeva esattamente se si potessero fare gli orologi nucleari. Il motivo? Non si conosceva la quantità di energia necessaria a far fare il salto agli atomi di torio-229.

Misurare l'energia

Fino al 2023, quando gli scienziati l'hanno misurata per la prima volta. A questo punto si è potuto compiere il passaggio successivo. I ricercatori hanno usato un laser per far passare i nuclei di torio-229 a un livello di energia più alto e hanno osservato la luce emessa nel passaggio a un livello di energia inferiore. 

L'esperimento ha permesso di misurare l'energia della transizione: 8,35574 eV. Questo numero è non solo in linea con la misurazione del 2023, ma è circa 800 volte più preciso.

Per realizzare un orologio nucleare, gli scienziati dovranno aumentare ulteriormente la precisione di questa misurazione, ma ora sembra un risultato raggiungibile.

Come funziona un orologio nucleare

Ma come funziona un orologio nucleare? Nell'esperimento che ha permesso la misurazione, il torio-229 è stato incorporato in un cristallo di fluoruro di calcio. In pratica è possibile creare orologi con materiali solidi, rendendoli più semplici e portatili.

Orologio nucleare: un laser blu illumina un cristallo di fluoruro di calcio infuso con atomi di torio. Fonte: TU Wien.

Vantaggi dell'orologio nucleare rispetto a quello atomico

Rispetto agli orologi atomici, attualmente gli orologi a disposizione degli scienziati, gli orologi nucleari potrebbero essere più semplici e più portatili.

Un orologio atomico richiede infatti la creazione del vuoto, anche se nel 2022 è stata presentata la nuova generazione di orologi atomici grandi come un chicco di caffè. Un altro vantaggio è la precisione, che consentirebbe di costruire sistemi di localizzazione più precisi.

Ma non solo. Visto che gli orologi nucleari si basano su una fisica diversa rispetto agli orologi atomici, confrontare i due tipi di orologi potrebbe consentire nuovi studi di fisica fondamentale.

Per esempio, gli scienziati potrebbero cercare variazioni nelle costanti fondamentali della natura, un insieme di numeri che governano il cosmo che normalmente si presume siano immutabili.

Gli orologi nucleari potrebbero anche consentire nuove ricerche sulla materia oscura, quell'insieme di particelle che sembrano pervadere l'universo ma che non si riescono a vedere.

Potrebbero passare decenni prima di un'applicazione pratica

Non aspettatevi che un orologio nucleare arrivi presto: c'è ancora molto altro lavoro da fare per costruirlo.

E anche quando dov'esse essere pronto, ci vorranno anni, se non decenni, di lavoro per raggiungere il livello degli orologi atomici. Ma adesso sappiamo che si può fare.