I primi orologi nucleari funzionanti non sono più una promessa da laboratorio ma qualcosa che esiste davvero, dopo più di vent’anni passati a inseguire un’idea che sembrava sfuggire ogni volta che ci si avvicinava. A portarla a casa sono stati due gruppi di ricerca internazionali, uno in Europa e uno in Cina, che hanno costruito dispositivi capaci di misurare il tempo basandosi sulle fluttuazioni di energia del nucleo di un atomo invece che su quelle dei suoi elettroni, la strada seguita dai classici orologi atomici per stabilire quanto dura un secondo. I due studi che raccontano questi prototipi, più stabili e potenzialmente utili per indagare una nuova fisica, sono finiti sul server di preprint arXiv.
Come si scandisce davvero il tempo
Ogni orologio, in fondo, ha bisogno di un’oscillazione stabile per fare il suo lavoro, esattamente come accade in un vecchio pendolo. Negli orologi atomici questa oscillazione arriva dagli elettroni che saltano da un livello energetico all’altro quando li colpisce un fascio di luce laser. La frequenza necessaria a innescare quei salti diventa l’unità di misura del tempo. Un orologio nucleare invece cambia completamente approccio: porta i protoni e i neutroni dentro il nucleo degli atomi di torio-229 verso uno stato energetico più alto. E qui sta il punto interessante, perché il torio ha una particolarità rara. A differenza della maggior parte degli elementi possiede livelli energetici talmente vicini tra loro che basta una semplice luce ultravioletta per far scattare il cambiamento.
I prototipi che funzionano davvero
Bisogna però fare un passo indietro. Solo nel 2024 è stata osservata per la prima volta la transizione nucleare all’interno di un cristallo che conteneva trilioni di atomi di torio-229, e poco dopo se n’è misurata la frequenza con precisione. Restava un nodo da sciogliere per far funzionare davvero gli orologi nucleari: sincronizzare la frequenza del laser e impedire che la velocità di oscillazione cambiasse col passare del tempo. Ed è esattamente quello che i due team sono riusciti a ottenere, tenendo d’occhio quanta luce laser veniva assorbita dagli atomi di torio. In pratica, quando il laser si trova sulla frequenza giusta l’intensità del segnale luminoso cala perché i nuclei assorbono i fotoni. Se invece la frequenza si sposta, come ha spiegato a Nature Thorsten Schumm, coautore dello studio europeo, si vede il segnale riemergere e si può correggere l’errore all’istante.
La porta verso una nuova fisica
I due gruppi hanno usato metodi diversi ma sono arrivati a risultati molto simili. I loro orologi hanno lavorato in modo affidabile, con una deriva giornaliera che equivale più o meno a un secondo ogni 3 milioni di anni. Numeri impressionanti, anche se restano distanti da quelli degli orologi atomici, che sbagliano di un secondo ogni 40 miliardi di anni. La differenza è che questi nuovi dispositivi funzionano sul serio, e in prospettiva potrebbero diventare più compatti, robusti e maneggevoli. Le applicazioni immaginate vanno dai sistemi di navigazione satellitare alle telecomunicazioni, fino a strumenti scientifici pensati per lo Spazio o per ambienti estremi. C’è poi l’ipotesi più affascinante, quella di usarli per esplorare fenomeni ancora sconosciuti come la materia oscura.