In natura sono molti i fenomeni che possono essere usati come veri e propri orologi per misurare il tempo. Ce ne sono però alcuni estremamente veloci e precisi che i ricercatori possono sfruttare per numerose applicazioni. Se fino a oggi erano gli elettroni degli atomi a essere il cuore del funzionamento degli orologi atomici, i ricercatori ora potrebbero essere un passo più vicini allo sfruttare gli stati del nucleo di uno specifico isotopo del torio. Due esperimenti, pubblicati su Nature, sembrano alimentare queste speranze.
In natura sono molti i fenomeni che possono essere usati come veri e propri orologi per misurare il tempo. Ce ne sono però alcuni estremamente veloci e precisi che i ricercatori possono sfruttare per numerose applicazioni. Se fino a oggi erano gli elettroni degli atomi a essere il cuore del funzionamento degli orologi atomici, i ricercatori ora potrebbero essere un passo più vicini allo sfruttare gli stati del nucleo di uno specifico isotopo del torio. Due esperimenti, pubblicati su Nature, sembrano alimentare queste speranze.
I “vecchi” orologi atomici
Un orologio atomico è un orologio in cui la misura del tempo si basa sulla frequenza di risonanza di un atomo, tale frequenza è associata alla transizione atomica tra due livelli energetici differenti (il passaggio di un elettrone da uno stato all’altro a causa dell’assorbimento o rilascio di energia) dell’atomo in questione. Tradizionalmente l’elemento impiegato è il cesio, per cui un secondo corrisponde a 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli energetici dell’isotopo 133. Gli isotopi sono atomi appartenenti allo stesso elemento chimico che posseggono stesso numero atomico (numero di protoni in un nucleo) ma differente numero di massa (la somma del numero di protoni e neutroni nel nucleo). Dopo il cesio, sono stati utilizzati stronzio e rubidio, i quali hanno dato vita a orologi sempre più precisi. Se desiderate ulteriori spiegazioni sul funzionamento degli orologi atomici, guardate il video qui sotto con un divulgatore d’eccellenza: Massimo Inguscio, fisico italiano e presidente del CNR.
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La soluzione per un orologio nucleare: l’isomero del Torio-229
Thorsten Schumm, autore dell’articolo pubblicato su Nature e professore della TU Wien, ha spiegato: “In fisica nucleare solitamente abbiamo a che fare con energie molto alte. Le energie degli elettroni che orbitano intorno ai nuclei degli atomi sono comunemente molto più basse, così è relativamente più facile manipolare questi elettroni con la luce di un laser. Ma questo non è possibile con i nuclei atomici”. I ricercatori preferirebbero un orologio nucleare a un orologio atomico poiché gli stati nucleari possono essere misurati in maniera più precisa di quelli elettronici e, inoltre, i nuclei sono meglio protetti da perturbazioni quali campi elettromagnetici esterni. Schumm ha però affermato che è difficile lavorare sulle energie nucleari. Questo è vero in generale ma non per il Torio-229. Il professore ha infatti proseguito parlando di questo isotopo: “Appena al di sopra dello stato fondamentale – lo stato con la più bassa energia possibile – c’è, sorprendentemente, un altro stato del nucleo, che noi chiamiamo isomero“. La differenza di energia tra i due stati – lo stato fondamentale e l’isomero – è di molti ordini di grandezza minore della differenza tra livelli energetici in altri nuclei ed è confrontabile con le energie degli elettroni. La transizione tra i due stati del torio costituisce, quindi, un presupposto promettente per la costruzione di un orologio nucleare. Vi starete chiedendo quale sia il problema e perché non esista ancora un orologio nucleare. Fino a ora, il più grande ostacolo da superare per la sua realizzazione è stato calcolare l’esatto valore di energia tra i due stati del nucleo di Torio-229 di cui vi abbiamo parlato sino a ora. La soluzione è stata trovata da più gruppi di ricerca – austriaci, tedeschi e giapponesi – che, con esperimenti differenti, hanno misurato l’energia della transizione dell’orologio nucleare basato sull’isotopo 229 del torio.
A cosa serve un orologio nucleare?
Quali sono le applicazioni di un orologio nucleare? È uno strumento importante per la ricerca di base, ad esempio per studiare la materia oscura o per comprendere se le nostre costanti fisiche sono effettivamente costanti, grazie alla sua grande precisione. O, ancora, può essere utile nelle misurazioni delle piccole irregolarità del campo gravitazionale terrestre o nel posizionamento di oggetti mediante la navigazione basata su satelliti.
Vi parliamo ancora di grandi avanzamenti tecnologici con l’articolo di Leonida Antonio Gizzi, “Laser estremi e plasmi: un futuro brillante”, pubblicato nel numero di ottobre 2018 di Sapere.
Credits immagine: © TU Wien
