I fisici hanno dimostrato tutti i componenti di un orologio atomico: dispositivi che misurano il tempo misurando piccoli spostamenti di energia all'interno di un nucleo atomico. Tali orologi potrebbero portare a miglioramenti significativi nelle misurazioni di precisione nonché a nuove conoscenze nella fisica fondamentale.

I ricercatori hanno misurato la frequenza della luce che fa sì che i nuclei del raro isotopo torio-229 passino a uno stato energetico più elevato - l'"orologio" dell'orologio atomico - con una precisione 100.000 volte superiore al miglior valore precedente. Hanno raggiunto questo obiettivo sincronizzando la migrazione energetica con l'orologio più preciso del mondo. Il lavoro è stato condotto da Jun Ye del JILA, un istituto di ricerca a Boulder, in Colorado, e pubblicato il 5 settembre su Nature. "È davvero uno degli articoli più interessanti degli ultimi tempi", afferma Marianna Safronova, fisica nucleare presso l'Università del Delaware a Newark.

La svolta è arrivata esaminando i nuclei di torio-229 con un dispositivo laser chiamato pettine di frequenza. Tecnicamente l'installazione non è un orologio in quanto non è stato ancora utilizzato per misurare il tempo. Ma risultati così impressionanti rendono possibile lo sviluppo di un orologio atomico, dice Safronova.

Le misurazioni dell'orologio si stanno già rivelando utili nella fisica delle particelle, afferma Elina Fuchs, fisica teorica dell'Università Leibniz di Hannover, in Germania. E poiché la frequenza dell’orologio è determinata dalle forze fondamentali che tengono insieme il nucleo, il prototipo potrebbe determinare se un tipo di materia oscura – una sostanza invisibile che costituisce circa l’85% della materia nell’universo – sta influenzando queste forze su scala minuscola. “Si tratta di una nuova finestra diretta sull’energia nucleare”, afferma Fuchs.

Orologi definitivi

I migliori orologi del mondo, chiamati orologi atomici, misurano il tempo utilizzando i laser: la frequenza della luce è sintonizzata con precisione per ottenere l'energia necessaria per spostare gli elettroni tra due livelli energetici all'interno di un atomo. L'orologio atomico più preciso guadagna o perde solo un secondo ogni 40 miliardi di anni. Un orologio atomico funzionerebbe in modo leggermente diverso: corrisponderebbe alle transizioni energetiche di protoni e neutroni, piuttosto che di elettroni, quando entrano in uno stato eccitato.

Questo spostamento di energia richiede una frequenza ultravioletta leggermente più alta, con conseguente tempistica più rapida che potrebbe eguagliare o superare la precisione dell’orologio atomico. Ma il più grande vantaggio potenziale dell’orologio atomico risiede nella sua combinazione di precisione e stabilità. Le particelle nel nucleo sono meno sensibili degli elettroni ai disturbi come i campi elettromagnetici, il che significa che un orologio atomico potrebbe essere portatile e robusto. "Diventa desensibilizzato in un modo difficile da immaginare in termini di come funzionano i nostri orologi oggi", afferma Anne Curtis, fisica sperimentale presso il National Physical Laboratory di Teddington, nel Regno Unito.

Ma trovare il giusto tipo di nucleo atomico da utilizzare e determinare la frequenza necessaria per spostarlo in uno stato energetico diverso è stato un lavoro faticoso di 50 anni per i fisici. Negli anni '70, prove indirette suggerivano che il torio-229 avesse avuto una transizione nucleare stranamente a bassa energia, che alla fine avrebbe potuto essere innescata dal plasma da tavolo. Ma è stato solo l'anno scorso che gli scienziati hanno scoperto la frequenza necessaria e quest'anno sono riusciti ad avviare con successo la transizione con un laser.

Il team JILA ha cercato la frequenza di transizione in trilioni di atomi di torio-229 incorporati nel cristallo utilizzando un sistema noto come pettine di frequenza. Il pettine crea una serie di linee di frequenza laser distanziate regolarmente e uniformemente. Ciò consente ai ricercatori di illuminare il cristallo a molte frequenze precise contemporaneamente per cercare un colpo, invece di scansionare faticosamente lo spettro di possibili opzioni con un laser a frequenza singola.

Le impostazioni del pettine, inclusa la larghezza degli spazi tra le linee, o "denti", erano calibrate utilizzando l'orologio atomico e potevano essere regolate. Il team ha condotto diversi esperimenti e, osservando il caratteristico bagliore che si verifica quando gli atomi di torio-229 decadono dal loro stato eccitato, hanno utilizzato le impostazioni per calcolare la frequenza che controlla il segnale.

Osservare la transizione per la prima volta “è stato sorprendente”, afferma il coautore dello studio Chuankun Zhang, fisico della JILA. "Abbiamo fatto dei test tutta la notte per verificare se questo era davvero il segnale che stavamo cercando", dice.

Forze fondamentali

La particolarità del pettine di frequenza è che consente ai fisici di misurare la frequenza di un orologio - qui il nucleo di torio-229 - come rapporto con un'altra frequenza nota, in questo caso un orologio atomico. Ciò non solo ha permesso al team di determinare il valore assoluto della frequenza con elevata precisione, ma ha anche aperto alcune interessanti possibilità in fisica, afferma Zhang.

Se la velocità di un orologio cambia nel tempo rispetto a un altro, ciò potrebbe indicare che i fattori che determinano i livelli di energia - come la forte forza nucleare o elettromagnetica - stanno andando alla deriva o fluttuano, dice Fuchs. Si ritiene che alcune forme "leggere" di materia oscura, che hanno una massa estremamente bassa, abbiano questo effetto, dice.

Qualsiasi cambiamento nelle forze sarebbe amplificato nella frequenza della migrazione verso l’interno del nucleo, quindi gli orologi atomici potrebbero potenzialmente essere circa 100 milioni di volte più sensibili agli effetti di questo tipo di materia oscura rispetto agli orologi atomici. L'ultimo risultato – che individua la frequenza con una precisione di 13 cifre decimali – è già abbastanza preciso da restringere i possibili intervalli di energia in cui potrebbe esistere la materia oscura, dice Fuchs. Anche la fisica nucleare potrebbe trarre vantaggio da una frequenza di transizione più precisa, che potrebbe aiutare gli scienziati a distinguere tra le diverse possibili forme del nucleo di torio-229.

Ma è necessario fare ancora molto lavoro prima che gli orologi atomici possano superare gli orologi atomici, che attualmente hanno una precisione di 19 cifre decimali. I ricercatori studieranno se abbia senso mantenere il torio-229 incorporato in un cristallo (un solido è utile per realizzare un orologio indossabile) o se confinare singoli atomi produrrebbe risultati migliori.

Anche il sistema laser deve essere ottimizzato. "Fortunatamente, questa straordinaria tecnica ha un grande potenziale", afferma Olga Kocharovskaya, fisica della Texas A&M University di College Station. Si tratta di un "prototipo della fonte da utilizzare nel futuro orologio", aggiunge.