I primi orologi nucleari hanno appena iniziato a ticchettare

La tua mappa è un orologio

Il punto blu sulla mappa del telefono non misura davvero distanze. Misura il tempo. Ogni satellite gi pi esse ha vari orologi atomici. Il telefono calcola quanto impiega il segnale di ciascuno ad arrivare. I segnali radio viaggiano alla velocità della luce: circa trenta centimetri in un miliardesimo di secondo.

Un errore di un milionesimo di secondo significa sbagliare la posizione di circa trecento metri.

Due orologi nucleari in una settimana

Il sette ottobre, due gruppi hanno annunciato su Nature di aver costruito orologi basati sul nucleo atomico: più di un traguardo della fisica. Per entrambi, questo nuovo tipo di orologio potrebbe un giorno superare quelli attuali. Ma queste prime versioni restano indietro rispetto ai migliori orologi atomici. Capire perché conta quanto il risultato.

Ripetere e contare

Ogni orologio ha due elementi: qualcosa che si ripete e qualcosa che conta le ripetizioni. Il pendolo oscilla, e il quarzo di un orologio vibra trentaduemilasettecentosessantotto volte al secondo. Più il ritmo è rapido e stabile, più precisamente l'orologio suddivide il tempo.

Il secondo atomico

Oggi il secondo ufficiale lo stabilisce un atomo. Sono nove miliardi centonovantadue milioni seicentotrentunomila settecentosettanta oscillazioni di un segnale a microonde a cui risponde un atomo di cesio. Orologi a fontana come questo del Nist lanciano in alto una nube di atomi di cesio raffreddati al laser, verificando che le microonde restino accordate agli atomi. I nuovi orologi ottici usano luce anziché microonde: oscilla decine di migliaia di volte più velocemente.

Nel duemilaventiquattro, un orologio allo stronzio del JILA ha riportato un'incertezza sistematica sotto una parte su un miliardo di miliardi. Gli orologi ottici hanno superato quelli al cesio: l'ente internazionale responsabile prepara una nuova definizione del secondo, con una decisione prevista nel duemilatrenta.

Il punto debole: gli elettroni

Tutti questi orologi rilevano lo stesso fenomeno: elettroni che saltano tra livelli energetici nella parte esterna dell'atomo. All'esterno dell'atomo, campi elettrici e magnetici indesiderati e calore possono alterare il ritmo degli elettroni. Per questo i migliori orologi atomici tengono pochi atomi nel vuoto, raffreddati al laser e accuratamente schermati. Nel nucleo è diverso.

È decine di migliaia di volte più piccolo dell'atomo e risente molto meno dei campi che disturbano gli elettroni. Di solito, però, i nuclei cambiano energia solo con raggi gamma, ben oltre le energie raggiungibili con un laser da laboratorio.

Torio-229

Il torio è l'eccezione. Un isotopo raro, il torio duecentoventinove, ha uno stato eccitato solo circa otto virgola quattro elettronvolt sopra lo stato fondamentale. Quel salto corrisponde a luce ultravioletta da vuoto con lunghezza d'onda di circa centoquarantotto nanometri, raggiungibile con un laser. I fisici proposero un orologio nucleare con questa transizione nel duemilatré.

Solo nel duemilasedici si dimostrò che lo stato eccitato esisteva; nel duemilaventidue se ne misurò l'energia con la luce. La prima eccitazione laser in un cristallo arrivò nel duemilaventiquattro.

Un orologio in un cristallo

Così ben schermato, il nucleo può essere incorporato in un solido. Entrambi i gruppi hanno inserito torio duecentoventinove in cristalli millimetrici di fluoruro di calcio, mantenuti vicino alla temperatura ambiente. Il materiale scarseggia: il gruppo cinese ha ottenuto un cristallo da una soluzione con appena uno virgola quattro microgrammi dell'isotopo. Il torio duecentoventinove nasce dal decadimento dell'uranio duecentotrentatré.

Il gruppo di Tsinghua scrive che questa scarsità non lasciava quasi margine per far crescere un cristallo, provarlo e ritentare.

Chiudere il circuito

Prima si eccitavano i nuclei di torio, ma serviva un altro orologio per regolare il laser. A Vienna hanno chiuso il circuito: ora i nuclei stessi regolano il laser. Il laser attraversa il cristallo, e i nuclei assorbono luce solo alla frequenza giusta. Se la frequenza devia, l'assorbimento cala: un rivelatore lo segnala e l'elettronica corregge la frequenza.

Questo schema pubblicato mostra il cristallo, il rivelatore e il percorso di retroazione che chiude il circuito. L'orologio ha funzionato un giorno intero senza interventi.

Contare i battiti

Un orologio deve contare anche le oscillazioni: qui nasce un problema. A centoquarantotto nanometri, la luce oscilla circa due milioni di miliardi di volte al secondo: l'elettronica non può contarne direttamente le oscillazioni. Usano un pettine di frequenze: un laser dai colori equidistanti che, come ingranaggi, abbassano la frequenza finché l'elettronica può contare le oscillazioni. A Vienna, una fibra lunga circa dieci chilometri ha permesso il confronto con un orologio a ioni di itterbio dell'ufficio metrologico austriaco.

All'università Tsinghua, un secondo gruppo ha costruito un orologio nucleare producendo diversamente la luce ultravioletta. Due cristalli cresciuti separatamente hanno dato la stessa frequenza entro circa una parte su diecimila miliardi.

Quanto è stabile?

I fisici valutano un orologio confrontandolo con un altro, misurando quanto oscilla la sua frequenza. Questo grafico dell'articolo di Vienna mostra quelle variazioni, mediate su intervalli sempre più lunghi. Allungando l'intervallo, la curva scende: dopo qualche ora raggiunge circa due parti su centomila miliardi. Il comunicato dell'università parla di circa un secondo d'errore in trenta milioni di anni: un valore estrapolato da un giorno di funzionamento.

Due orologi, due punti di forza

Questi nuovi orologi hanno stabilità diverse. Nel grafico di Tsinghua, come a Vienna, le rette adattate ai dati scendono allungando l'intervallo della media. Nella configurazione migliore, la frequenza oscilla circa sei volte meno dell'orologio viennese, sullo stesso intervallo di media. A Tsinghua, il confronto impiegava un maser a idrogeno e una cavità laser ultrastabile, collegati da quattro chilometri di fibra.

Quello viennese ha chiuso il circuito, funzionato un giorno intero e misurato la deriva giornaliera.

Ancora indietro

Sembra straordinario, ma i migliori orologi ottici sono ancora molto avanti. Il gruppo viennese lo definisce un primo prototipo, ancora lontano dai migliori orologi atomici ottici del mondo. Gli autori prevedono miglioramenti della stabilità di circa quattro ordini di grandezza nei dispositivi futuri. È una previsione, non una misura.

La stessa risposta ogni giorno?

Un altro limite emerge tra giornate, non durante una singola prova. Ogni prova richiede di riallineare il laser: il fascio attraversa un'area leggermente diversa del cristallo. Zone diverse davano frequenze leggermente diverse: i risultati giornalieri concordavano solo entro circa cinque parti su diecimila miliardi. Un orologio portatile deve dare lo stesso risultato a ogni accensione.

Torniamo al telefono

Potrebbero quindi servire alle mappe del telefono? Il telefono non ha nessun orologio atomico. Riceve segnali da almeno quattro satelliti per calcolare insieme la posizione e l'errore del proprio orologio. Gli orologi dei satelliti sono corretti da orologi atomici ancora migliori a terra.

Lo studio di Tsinghua propone cristalli di torio per orologi compatti e robusti, utili forse a satelliti o reti. Nessuno studio promette miglioramenti al gi pi esse: oggi la precisione del telefono, circa cinque metri, dipende anche da atmosfera, edifici e ricevitore.

Orologi che misurano l'altezza

Orologi migliori possono misurare anche l'altezza: il tempo scorre leggermente più veloce lontano dalla Terra. Nel duemiladieci il Nist confrontò due orologi ottici e rilevò la differenza alzandone uno di circa trentatré centimetri. Misurare così la forma del campo gravitazionale terrestre si chiama geodesia: servono orologi trasportabili dove occorre misurare. Un orologio robusto in un cristallo potrebbe aiutare un giorno, ma per gli orologi nucleari resta una possibilità, non un risultato.

Un rivelatore di materia oscura

Le ricadute più immediate riguardano la fisica. La transizione del torio è insolitamente sensibile a minime variazioni delle forze che legano la materia. A Vienna hanno esaminato un giorno di dati cercando deboli oscillazioni regolari, previste per alcune forme di materia oscura. Non hanno trovato segnali, ma i limiti del prototipo già competono con quelli dei migliori orologi atomici.

Cosa tenere d'occhio

Cosa determinerà se gli orologi nucleari usciranno dal laboratorio? Tre cose: se la frequenza resta uguale ogni giorno, se la stabilità migliora davvero di migliaia di volte, e se torio duecentoventinove e laser ultravioletti diventano più accessibili. La prossima ridefinizione del secondo si sta preparando attorno agli orologi atomici ottici, non nucleari. Per ora il nucleo ha dimostrato di misurare il tempo. Va verificato se lo misura allo stesso modo ovunque.