Due orologi nucleari funzionanti al mondo sono stati realizzati da due squadre di fisici, una guidata da Thorsten Schumm dell’Università Tecnica di Vienna e l’altra da Ding Shiqian dell’Università Tsinghua di Pechino. Questi strumenti rappresentano un passo avanti nella misurazione del tempo, basandosi non sugli elettroni, ma sul nucleo dell’atomo. Il loro funzionamento si basa su un laser e del torio-229, un isotopo radioattivo raro, che permette di osservare transizioni energetiche nel nucleo. I due orologi non sono gemelli, ma entrambi hanno raggiunto un traguardo significativo, con il modello di Tsinghua che si è rivelato circa sei volte più stabile del rivale viennese.
La tecnologia degli orologi nucleari
Un orologio ha bisogno di qualcosa che oscilli con regolarità. Nei vecchi orologi a pendolo è un peso che dondola, mentre negli orologi atomici è la luce di un laser, la cui frequenza viene agganciata al salto di un elettrone tra due livelli di energia. 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. «Hai un laser e del torio», ha spiegato Schumm, sottolineando come il laser modifica lo stato energetico dei nuclei e questi, a loro volta, tengono stabile la frequenza del laser, facendo da riferimento.
Un’alternativa alla misurazione del tempo
La tecnologia degli orologi nucleari potrebbe rivoluzionare la misurazione del tempo, soprattutto grazie alla sua capacità di resistere ai disturbi esterni. Il nucleo, infatti, è un bersaglio minuscolo e schermato dagli elettroni che lo circondano, rendendolo molto meno esposto ai disturbi che complicano la vita agli orologi atomici. Il torio-229 è l’unico nucleo conosciuto che si presta a questo meccanismo, grazie al suo equilibrio delicatissimo tra le forze che lo tengono insieme. Questo equilibrio potrebbe 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. Il team di Schumm ha usato lo strumento per cercare tracce di materia oscura ultraleggera, senza trovare segnali, ma con una sensibilità all’altezza dei migliori orologi atomici. La precisione di questi orologi è tale che, ad esempio, 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.
Le sfide e le prospettive
Nonostante i successi, le sfide restano concreti. Il torio-229 è rarissimo, con una disponibilità mondiale stimata intorno ai 40 grammi, limitando 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.
Le applicazioni future degli orologi nucleari potrebbero portare una precisione da laboratorio a contesti in cui oggi non arriva, come satelliti e reti di comunicazione. 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. La ricerca continua, ma il passo fatto da questi due orologi nucleari al mondo rappresenta un’innovazione significativa nella misurazione del tempo.
