Due gruppi di fisici hanno realizzato i primi orologi nucleari al mondo. Questi dispositivi, di concezione rivoluzionaria, usano le fluttuazioni degli stati energetici del nucleo di un atomo per misurare il tempo, anziché quelle dei suoi elettroni, che gli orologi atomici attualmente impiegano per definire la durata di un secondo. 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” – Marta Musso, scrittrice scientifica, afferma – “…A riuscire nell’impresa, dopo oltre 20 anni di ricerche, sono stati due team di ricerca internazionali, uno in Europa e 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”.
- Ecco l’intervallo di tempo più breve mai misurato
Il lasso di tempo più breve che sia mai stato misurato? È quello che impiega un fotone ad attraversare una molecola di idrogeno. Lo studio su Science.
È appena stato battuto un altro record, quello dell’intervallo di tempo più breve che sia stato misurato finora, e che equivale a esattamente 247 zepto-secondi. A riuscirci sono stati i ricercatori della Goethe University, in Germania, che nei loro laboratori hanno sostanzialmente individuato il tempo impiegato da un fotone per attraversare una molecola di idrogeno, pari appunto a 247 zepto-secondi. Il loro studio è stato appena pubblicato sulle pagine di Science e segna perciò un altro record nel mondo della fisica.
Lo zepto-secondo (zs), ricordiamo, è l’unità di misura del tempo più breve in assoluto, pari a un trilionesimo di miliardesimo di secondo, cioè una serie di 21 numeri dopo lo zero virgola. Già nel 2016, in uno studio pubblicato sulla rivista Nature Physics, un team di fisici era riuscito a individuare un intervallo il tempo brevissimo, di circa 850 zepto-secondi. Valori, quindi, che hanno segnato un enorme passo in avanti rispetto agli studi del chimico egiziano Ahmed Zewail, vincitore del premio Nobel del 1999, che descriveva per la prima volta la velocità con cui le molecole cambiano forma, riuscendo a misurare il tempo in femtosecondi, equivalenti a milionesimi di miliardesimi di secondo (pari a 15 numeri dopo lo zero virgola). Sebbene i femtosecondi siano quindi utili per misurare il tempo di rottura e di formazione dei legami chimici, gli zepto-secondi sono fondamentali per determinare l’intervallo di tempo che impiega la luce per attraversare una singola molecola di idrogeno.
Per riuscirci, il team di ricercatori, coordinato dal fisico Reinhard Dörner, si è servito dell’innovativo strumento a raggi X del Petra III presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy), un acceleratore di particelle di Amburgo. Nel loro esperimento, i ricercatori hanno impostato l’energia dei raggi X in modo che un singolo fotone fosse sufficiente per espellere i due** elettroni** da una molecola di idrogeno (che, precisiamo, è composta da due protoni e due elettroni). Dato che gli elettroni si comportano simultaneamente come particelle e onde, l’espulsione del primo e poi del secondo elettrone ha così generato un modello d’onda chiamato modello di interferenza (fenomeno dovuto alla sovrapposizione nello spazio di due o più onde), che i ricercatori sono riusciti a misurare grazie al microscopio a reazione, il Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (Coltrims), ovvero un rilevatore di particelle molto sensibile in grado di registrare reazioni atomiche e molecolari estremamente veloci.
Il microscopio Coltrims, infatti, è riuscito a registrare sia il modello di interferenza che la posizione della molecola di idrogeno durante l’interazione. “Poiché conoscevamo l’orientamento spaziale della molecola di idrogeno, abbiamo utilizzato l’interferenza delle due onde elettroniche per calcolare nel dettaglio il tempo necessario al fotone per raggiungere il primo, e poi il secondo, atomo di idrogeno”, ha spiegato Sven Grundmann, tra gli autori dello studio. In conclusione, quindi, i ricercatori sono riusciti a misurare la velocità della propagazione luce all’interno di una molecola, che è stata esattamente di 247 zepto-secondi, il più piccolo lasso di tempo mai misurato finora.
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 e i neutroni all’interno del nucleo degli atomi di torio-229 a 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.
- Come funziona l’orologio atomico più preciso al mondo e quali sono le sue possibili applicazioni
È il primo ad essere in grado di rilevare gli effetti della gravità previsti dalla teoria della relatività generale su scala microscopica.
Un gruppo di ricercatori del Joint Institute for Laboratory Astrophysics (Jila), un’istituzione congiunta del National Institute of Standards and Technology (Nist) e della University of Colorado Boulder (Stati Uniti), ha sviluppato l’orologio atomico più preciso e più accurato (due proprietà distinte nel mondo della scienza) di qualsiasi altro orologio costruito in precedenza. Fa parte di una nuova generazione di orologi atomici che funzionano in modo leggermente diverso rispetto a quelli sviluppati fino ad oggi, consentendo una precisione tale per cui la comunità scientifica sta valutando la possibilità di utilizzarli per ridefinire il secondo, l’unità di misura internazionale del tempo. I risultati sono descritti in uno studio attualmente disponibile su arXiv, in attesa di essere pubblicato su Physical Review Letters.
Ma come funziona questo gioiello della fisica? Il nuovo orologio sfrutta una rete di luce nota come “reticolo ottico” per intrappolare e misurare decine di migliaia di singoli atomi contemporaneamente. “…Questo orologio è così preciso che può rilevare i piccoli effetti previsti da teorie come la relatività generale, anche su scala microscopica – racconta Jun Ye, fisico del Nist e del Jila – …sta spostando i limiti di ciò che è possibile fare con la misurazione del tempo”.
Rispetto ai precedenti orologi ottici a reticolo, il nuovo orologio atomico utilizza una “rete” di luce laser meno profonda e più delicata per intrappolare gli atomi, spiegano gli autori dello studio. Questo riduce in modo significativo le due principali fonti di errore: gli effetti della luce laser che intrappola gli atomi e gli urti reciproci degli atomi stessi, dovuti al fatto di trovarsi troppo ravvicinati gli uni con gli altri.
- Le possibili applicazioni
In termini di applicazioni, il fatto che il nuovo orologio atomico sia in grado di rilevare gli effetti della relatività generale su scala microscopica potrebbe aiutarci a colmare il divario attualmente esistente fra il mondo della fisica quantistica e quello dei fenomeni su larga scala descritti appunto dalla teoria della relatività generale di Einstein.
Inoltre, le prestazioni di questo strumento potrebbero tornarci utili per progetti di esplorazione dello Spazio: “…Se vogliamo far atterrare una navicella spaziale su Marte con una precisione millimetrica, avremo bisogno di orologi di ordini di grandezza più precisi rispetto a quelli che abbiamo oggi nel Gps – prosegue Ye –
…e questo nuovo orologio è un passo importante per renderlo possibile”.
Non solo, gli stessi metodi utilizzati per intrappolare e controllare gli atomi potrebbero produrre notevoli progressi anche nell’informatica quantistica. “Stiamo esplorando le frontiere della scienza della misurazione – conclude Ye – …quando si possono misurare le cose con questo livello di precisione, si iniziano a osservare fenomeni che finora abbiamo solo potuto teorizzare”.
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 e impedire che la velocità di oscillazione dell’orologio variasse nel tempo. Ed è proprio quello che sono riusciti a fare i due team 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.
Sebbene i due gruppi di fisici, uno in Europa e uno in Cina, 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 e in futuro potrebbero essere più compatti, robusti e facili da utilizzare in diversi ambiti, dai sistemi di navigazione satellitare alle telecomunicazioni e agli strumenti scientifici da usare nello Spazio o in ambienti estremi e, infine, per esplorare fenomeni fisici ancora sconosciuti, come la materia oscura.
Angelo Martinengo, (*AGW)
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