Perché gli scienziati costruiscono un orologio nucleare? Perché gli orologi atomici non sono perfetti

Il compito di costruire un orologio che mantenga esattamente il tempo è totalmente diverso da un orologio. Gli orologi normali ci aiutano abbastanza bene per le esigenze pratiche quotidiane, ma la ricerca scientifica e la tecnologia basata su misurazioni sensibili richiedono orologi in grado di misurare il passare del tempo con la massima precisione. Così, gli scienziati hanno inventato orologi atomici - e mentre sono più precisi nel mantenere il tempo rispetto ai sistemi convenzionali, rimane un significativo margine di miglioramento. Ora gli scienziati si stanno spostando dal mondo atomico a quello nucleare. Un nuovo studio pubblicato in Natura mostra che i fisici tedeschi hanno sviluppato un orologio in grado di perdere meno di un decimo di secondo ogni 20 miliardi di anni. Questo è - a seconda di come lo si guarda - 10 volte meglio delle attuali tecnologie atomiche

Ma prima di duplicare gli orologi atomici obsoleti, consideriamo ciò che li rende diversi dagli antenati che ostentano il pendolo.

Ogni orologio utilizza un risonatore per tenere traccia del tempo. Un risonatore è un meccanismo che, a fini di semplificazione, "scandisce" su base regolare. I vecchi orologi usavano un pendolo e ingranaggi come un risuonatore. Gli orologi digitali usano le oscillazioni sulla linea di alimentazione o di un cristallo di quarzo come il risuonatore. Un orologio atomico porta questa idea di alcuni passi avanti usando le frequenze di risonanza degli stessi atomi come risonatore. In questo sistema, il risonatore è regolato dalla radiazione elettromagnetica emessa dalla transizione quantica di un atomo. In altre parole, un orologio atomico tiene traccia del tempo misurando i cambiamenti energetici in una particella atomica.

Per alcuni elementi e i loro isotopi, ciò avviene a frequenze coerenti. Il cesio-133, ad esempio, oscilla esattamente a 9.192.631.770 cicli al secondo. Ecco perché è stato utilizzato per costruire il primo orologio atomico presso il National Physical Laboratory nel Regno Unito, nel 1955.

Da allora, una serie di progressi tecnologici ha portato a orologi atomici più precisi - tra cui il raffreddamento e la cattura laser degli atomi, una spettroscopia laser più precisa e la determinazione di altri elementi isotopici che esibiscono frequenze risonanti ancora più consistenti. L'attuale detentore del record per l'orologio atomico più accurato basa le letture sugli ioni di itterbio.

La ragione per cui gli orologi atomici sono così importanti ha a che fare con il fatto che gli orologi misurano il tempo in modo diverso a diverse altezze. Più l'orologio è lontano dalla fonte principale di gravità, più il tempo passa più veloce (ad esempio, un orologio scorrerà più veloce sul Monte Everest che a livello del mare). La differenza è apparentemente trascurabile, ma può sommarsi con il passare del tempo.

Oggi gran parte della nostra tecnologia funziona come applicazioni globali, come il GPS. Per garantire che funzionino allo stesso tempo, indipendentemente da dove si trovi, devono essere collegati direttamente a un orologio preciso. Non esiste un modo migliore per garantire che utilizzare orologi atomici come standard. Nell'ultimo studio, il gruppo di ricerca tedesco delinea un'idea per misurare direttamente le oscillazioni del nucleo atomico dell'elemento stesso (al contrario degli elettroni che circondano il nucleo). Un orologio atomico basato su questo design potrebbe evitare di essere influenzato da forze esterne. Il team di ricerca identifica uno stato di eccitazione nell'isotopo del torio, Th-229m, che potrebbe funzionare - e illustra i risultati sperimentali che supportano questa nozione.

C'è solo un problema: Th-229m non si presenta in modo naturale. Sebbene i risultati del nuovo studio siano comunque impressionanti, non è chiaro esattamente come i ricercatori possano raccogliere abbastanza Th-229m per costruire e mantenere un orologio nucleare. I ricercatori hanno derivato Th-229m in questo caso usando uranium-233 come fonte. Non è un processo facile.

Se gli scienziati capiscono come risolvere quel piccolo problema e generare una quantità sostenibile di Th-229m, stiamo guardando ad una nuova generazione di orologi atomici che svolgeranno senza dubbio un ruolo importante mentre costruiamo sempre più tecnologie che abbracciano il mondo e serve persone in ogni angolo del mondo.