Arrivano i primi orologi nucleari, ecco come potrebbero cambiare il modo in cui misuriamo il tempo / The first nuclear clocks are here, here's how they could change the way we measure time.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

gli orologi nucleari misurano tempo portando i protoni e i neutroni all'interno del nucleo degli atomi di torio-229 a uno stato energetico superiore. / Nuclear clocks measure time by raising the protons and neutrons inside the nucleus of thorium-229 atoms to a higher energy state.

Alimentati dai nuclei di atomi, potrebbero diventare più stabili ed essere usati per esplorare fenomeni della fisica ancora sconosciuti

I primi orologi nucleari funzionanti sono finalmente realtà. A riuscire nell'impresa, dopo oltre 20 anni di ricerche, sono stati due gruppi di ricerca internazionali, uno in Europa ed uno in Cina, che hanno appunto realizzato questi innovativi dispositivi che si basano sulle fluttuazioni di energia del nucleo di un atomo per misurare il tempo, anziché quelle dei suoi elettroni, come fanno gli attuali orologi atomici per definire la durata di un secondo. I due nuovi studi, che dimostrano come questi prototipi di orologi nucleari siano più stabili e possano essere usati per la ricerca di una nuova fisica, sono stati pubblicati sul server di preprint arXiv.

Scandire il tempo

Come racconta Nature, tutti gli orologi hanno bisogno di un'oscillazione stabile per scandire il tempo, proprio come succede in un comune orologio a pendolo. Negli orologi atomici, quest'oscillazione è data dagli elettroni che saltano tra diversi livelli energetici quando vengono colpiti da una luce laser, la cui frequenza per innescare questi cambiamenti di stato viene usata per misurare il tempo. Un orologio nucleare, invece, si basa su una strategia diversa: scandisce il tempo portando i protoni ed i neutroni all'interno del nucleo degli atomi di torio-229 ad uno stato energetico superiore. In particolare, il torio ha una proprietà speciale in quanto, a differenza della maggior parte degli elementi, possiede livelli energetici stabili così vicini tra loro che anche una semplice luce ultravioletta può innescare il cambiamento.

I nuovi orologi nucleari

Solamente nel 2024, tuttavia, è stata osservata per la prima volta la transizione nucleare all'interno di un cristallo contenente trilioni di atomi di torio-229 e, poco dopo, è stata determinata con precisione la frequenza. L'unico problema da risolvere per far funzionare gli orologi nucleari, ricorda Nature, era quello di sincronizzare la frequenza del laser ed impedire che la velocità di oscillazione dell'orologio variasse nel tempo. Ed è proprio quello che sono riusciti a fare i due gruppi di ricerca, monitorando la quantità di luce laser assorbita dagli atomi di torio-229. In sostanza, quando il laser si trova nella frequenza corretta, l'intensità del segnale luminoso diminuisce perché i nuclei assorbono i fotoni. Ma se la frequenza varia, "si vede il segnale riemergere e si può immediatamente correggere l'errore", ha raccontato a Nature Thorsten Schumm, co-autore dello studio europeo.

Una nuova fisica

Sebbene i due gruppi si siano serviti di metodi differenti, hanno raggiunto risultati simili: i loro orologi nucleari hanno funzionato in modo affidabile, con una deriva giornaliera equivalente a circa un secondo ogni 3 milioni di anni. Nonostante siano ancora lontani dalle prestazioni degli orologi atomici, che accumulano un errore di un secondo ogni 40 miliardi di anni, i nuovi dispositivi funzionano davvero ed in futuro potrebbero essere più compatti, robusti e facili da utilizzare in diversi ambiti, dai sistemi di navigazione satellitare alle telecomunicazioni ed agli strumenti scientifici da usare nello Spazio od in ambienti estremi ed, infine, per esplorare fenomeni fisici ancora sconosciuti, come la materia oscura.

ENGLISH

The first working nuclear clocks are finally a reality. After over 20 years of research, two international research teams, one in Europe and one in China, have succeeded in creating these innovative devices. These devices rely on the energy fluctuations of an atom's nucleus to measure time, rather than those of its electrons, as current atomic clocks do to define the length of a second. The two new studies, which demonstrate how these prototype nuclear clocks are more stable and can be used to research new physics, have been published on the arXiv preprint server.

Knocking Time

As Nature reports, all clocks require a stable oscillation to keep time, just like a common pendulum clock. In atomic clocks, this oscillation is caused by electrons jumping between different energy levels when struck by laser light. The frequency of the laser that triggers these changes is used to measure time. A nuclear clock, however, relies on a different strategy: it measures time by bringing the protons and neutrons within the nucleus of thorium-229 atoms to a higher energy state. In particular, thorium has a special property: unlike most elements, it possesses stable energy levels so close together that even simple ultraviolet light can trigger the change.

New Nuclear Clocks

It wasn't until 2024, however, that the nuclear transition was first observed within a crystal containing trillions of thorium-229 atoms, and shortly thereafter, the frequency was precisely determined. The only problem to solve for nuclear clocks to work, Nature notes, was synchronizing the laser frequency and preventing the clock's oscillation rate from varying over time. And that's exactly what the two research teams managed to do by monitoring the amount of laser light absorbed by thorium-229 atoms. Essentially, when the laser is at the correct frequency, the intensity of the light signal decreases because the nuclei absorb the photons. But if the frequency varies, "you see the signal re-emerge and you can immediately correct the error," Thorsten Schumm, co-author of the European study, told Nature.

A New Physics

Although the two teams used different methods, they achieved similar results: their nuclear clocks functioned reliably, with a daily drift equivalent to about one second every 3 million years. Although they are still far from the performance of atomic clocks, which accumulate an error of one second every 40 billion years, the new devices really work and in the future could be more compact, robust, and easier to use in a variety of fields, from satellite navigation systems to telecommunications and scientific instruments for use in space or in extreme environments, and ultimately to explore as yet unknown physical phenomena, such as dark matter.

Da:

https://www.wired.it/article/arrivano-primi-orologi-nucleari-come-potrebbero-cambiare-modo-in-cui-misuriamo-tempo/

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