Per anni la fisica ha rincorso un sogno che sembrava più teoria che pratica, e adesso ci siamo arrivati davvero. I primi orologi nucleari al torio funzionanti sono realtà, frutto del lavoro di due gruppi di ricerca indipendenti, uno in Cina e uno in Europa. Entrambi sono riusciti a tenere a bada il nucleo dell’isotopo torio 229 sfruttando particolari laser a luce ultravioletta. Una svolta che apre scenari interessanti, soprattutto perché promette di misurare lo scorrere del tempo con una stabilità superiore a quella dei migliori sistemi atomici che usiamo oggi.
Il punto forte di questa tecnologia sta tutto qui. Una precisione del genere potrebbe fare la differenza nelle misurazioni gravitazionali e, cosa ancora più affascinante, nella ricerca della materia oscura. Roba che fino a poco tempo fa apparteneva più alla fantascienza che ai laboratori.
Gli orologi atomici tradizionali funzionano misurando le frequenze di luce che gli elettroni emettono o assorbono quando saltano da un livello energetico all’altro. Il sogno degli scienziati, però, era spostare tutto questo meccanismo dagli elettroni esterni direttamente al nucleo dell’atomo, che è molto più piccolo e parecchio più protetto dai disturbi dell’ambiente. La differenza è sostanziale, perché campi elettrici e magnetici esterni riescono ad alterare il comportamento degli elettroni, mentre sul nucleo non hanno quasi alcun effetto.
Perché il torio è l’unica strada possibile
Fino a oggi c’era un ostacolo bello grosso. Le transizioni energetiche nucleari richiedevano raggi gamma ad altissima energia, impossibili da maneggiare con i laser. Il torio 229 rappresenta l’unica eccezione conosciuta nell’intera tavola periodica, perché possiede uno stato eccitato a energia bassissima, raggiungibile con luce ultravioletta sottovuoto a una lunghezza d’onda di circa 148 nanometri. Un dettaglio che cambia tutto.
Per centrare l’obiettivo, il team della Tsinghua University e quello del Centro per la scienza e la tecnologia quantistica di Vienna hanno inserito gli atomi di torio dentro cristalli di fluoruro di calcio. Strade diverse per arrivare allo stesso punto. Il gruppo cinese ha scelto un sistema laser più potente, mentre l’équipe europea ha lavorato con cristalli a maggiore concentrazione di nuclei di torio, ottenendo così conferme aggiuntive.
I risultati parlano chiaro. Il team asiatico ha collegato la frequenza del laser alla risonanza nucleare e ha dimostrato un’instabilità di frequenza frazionaria di appena una parte su 10 mila miliardi dopo un solo giorno di funzionamento. Numeri che fanno girare la testa. Gli scienziati europei, invece, hanno usato il dispositivo come una vera e propria sonda scientifica per dare la caccia alla materia oscura ultraleggera, monitorando le fluttuazioni energetiche in intervalli compresi tra venti secondi e ventiquattro ore.