Primi orologi nucleari al mondo con il torio-229 a Vienna e Pechino: cosa sono e come misurano il tempo

Due gruppi di ricerca, uno dell’università TU Wien in Austria e l’altro all’Università Tsinghua di Pechino, hanno dimostrato in maniera indipendente il funzionamento dei primi prototipi di orologio nucleare, basati sul torio-229. I risultati, pubblicati su Nature in due studi distinti e curiosamente usciti nello stesso numero della rivista, segnano un passaggio importante per una tecnologia studiata da oltre vent’anni nei laboratori di fisica.

A differenza degli orologi atomici convenzionali, che si basano sulle transizioni degli elettroni atomici, gli orologi nucleari sfruttano le transizioni energetiche del nucleo dell’atomo come riferimento di frequenza per misurare lo scorrere del tempo.

Gli orologi atomici sono già oggi presenti infatti nella sincronizzazione delle reti di comunicazione di internet, nelle telecomunicazioni e nei sistemi di navigazione satellitare come il GPS, ed è proprio in queste applicazioni che un salto di precisione potrebbe fare la differenza.

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Come funziona un orologio nucleare

Ogni orologio ha bisogno di qualcosa che oscilli a un ritmo costante e regolare. In un orologio atomico, è la luce assorbita ed emessa da un elettrone quando salta tra due livelli di energia dell’atomo. L’unità di misura fondamentale che usiamo tutti i giorni, il secondo, è definita proprio contando le oscillazioni associate a una transizione degli elettroni dell’atomo cesio (nel caso degli orologi atomici viene usato questo elemento).

Un orologio nucleare sposta questo principio nel nucleo dell’atomo, dove anche protoni e neutroni occupano livelli di energia diversi.

Quando un elettrone passa da un livello energetico a un altro, assorbe o emette energia a una frequenza ben definita. Un laser può essere utilizzato per misurare questa transizione, calibrando la propria frequenza con quella caratteristica dell'atomo. Se la frequenza del laser cambia anche leggermente, il sistema può rilevare lo scostamento e correggerlo e in questo modo si ottiene un riferimento estremamente stabile di misurazione del tempo.

Gli orologi nucleari applicano un principio simile, ma cambiano appunto l’origine della transizione energetica. Invece degli elettroni, utilizzano i protoni e i neutroni che costituiscono il nucleo atomico. Anche il nucleo può infatti passare tra differenti stati energetici, assorbendo energia.

Il vantaggio rispetto agli orologi atomici è sostanzialmente quello di usare il nucleo dell’atomo, che è oltre diecimila volte più piccolo dell’atomo stesso e reagisce molto meno ai disturbi esterni (cioè le continue perturbazioni elettromagnetiche esterne che influenzano e disturbano le transizioni elettroniche): è quindi un cronometro molto più affidabile.

Nella pratica, rispetto a un orologio atomico, uno nucleare andrebbe meno alla deriva col passare del tempo: nella misurazione si accumulerebbero meno errori che, col passare del tempo, lo renderebbero sempre meno preciso.

I prototipi di Vienna e Pechino a confronto

I due gruppi hanno raggiunto risultati complementari nella loro ricerca. A Vienna i ricercatori hanno sviluppato un orologio nucleare con un sistema di retroazione che corregge automaticamente la frequenza del laser, realizzando il primo orologio nucleare autostabilizzante. È rimasto stabile per più di 24 ore senza interventi, con una precisione di circa una parte su un milione di miliardi, equivalente a un errore di un secondo in circa 30 milioni di anni.

Il gruppo cinese di Tsinghua ha invece dimostrato una maggiore stabilità di frequenza a breve termine e verificato che due cristalli realizzati indipendentemente restituiscono frequenze concordanti. Il risultato cinese evidenzia soprattutto stabilità e riproducibilità, mentre quello viennese dimostra l'automatizzazione del funzionamento e la possibilità di riprodurre tecnologicamente il sistema mantenendo la sua funzionalità.

Perché si usa il torio-229

La tecnologia usata dai due gruppi di ricerca è basata sul torio-229, un isotopo del torio. Il suo nucleo possiede una caratteristica peculiare ed è il motivo per cui è stato scelto: il torio-229, infatti, ha due stati energetici nucleari separati da una quantità di energia particolarmente piccola rispetto a quella tipica delle transizioni nucleari.

Questa differenza permette di eccitare il nucleo utilizzando luce ultravioletta, anziché ricorrere alle energie molto più elevate che sarebbero necessarie per la maggior parte delle altre transizioni nucleari (i raggi X o raggi gamma sono molto più difficili da controllare con la stessa precisione di un laser).

Per rendere utilizzabili i nuclei di torio, entrambi i gruppi li hanno incorporati in cristalli di fluoruro di calcio (CaF₂). Il materiale permette di ospitare un gran numero di nuclei e di interagire con essi mediante il laser ultravioletto.

Nella pratica, un laser illumina un cristallo di fluoruro di calcio contenente torio-229; a questo punto, il laser eccita il nucleo di torio-229 e la frequenza della luce che serve a farlo è sempre la stessa, identica per tutti i nuclei. Il cristallo, trasparente alla luce ultravioletta, serve a tenere fermi moltissimi nuclei di torio.

I nuclei assorbono la luce solo se la sua frequenza è quella giusta, un po’ come quando cerchiamo di sintonizzarsi su una specifica frequenza di una radio. Le oscillazioni del laser, circa due milioni di miliardi al secondo, sono l'unità di tempo fondamentale: contando le oscillazioni del laser agganciato a quella frequenza si misura il tempo.

Le applicazioni reali

Una delle prospettive più interessanti per usi applicativi dell’orologio nucleare riguarda la navigazione satellitare che usa il sistema GPS (Global Positioning System). Per determinare la posizione di un ricevitore, infatti, i satelliti della rete GPS trasmettono segnali temporali che permettono di calcolare la distanza percorsa dalla luce.

Un errore di appena un nanosecondo corrisponde a circa 30 centimetri nella distanza stimata sulla superficie della Terra. Orologi più stabili potrebbero quindi contribuire a migliorare la precisione del posizionamento fornito dal GPS.

Un riferimento temporale più affidabile sarebbe utile anche per sincronizzare le reti di satelliti e coordinare le comunicazioni tra veicoli spaziali e stazioni a Terra.

Ma il potenziale delle applicazioni degli  orologi nucleari potrebbe servire anche alla ricerca nella fisica fondamentale: non a caso, un ambito applicativo di ricerca proposto dai gruppi di Vienna e Pechino è stato quello di cercare indizi sulla natura della materia oscura.

Alcuni modelli teorici prevedono infatti che una forma di materia oscura ultraleggera possa provocare minuscole variazioni delle costanti fondamentali della natura, modificando così la frequenza delle transizioni atomiche e nucleari. Confrontando orologi diversi, gli scienziati possono cercare queste variazioni. Il gruppo di Vienna ha già utilizzato il proprio prototipo per verificare alcune di queste ipotesi, senza rilevare però segnali, ma potendo fornire dei valori di confine ai modelli teorici possibili che prevedono questo tipo di materia oscura.