Torio-229, arriva un nuovo orologio che promette precisione mai vista

Allo studio un orologio nucleare che sarà contraddistinto da caratteristiche mai viste prima. L’impiego di nuovi metodi sarà determinante

Su Physical Review Letters è stato pubblicato un articolo “Editor’s Choice” che si concentra su un’indagine relativa all’elaborazione di un orologio dalla precisione mai vista prima.

Questa possibilità sarebbe percorribile unicamente tenendo conto del modo in cui la transizione risponde alle condizioni esterne, come la temperatura. I ricercatori che si stanno correntemente occupando del progetto hanno concentrato i propri approfondimenti sugli spostamenti di energia nei nuclei di torio, contemporanei al riscaldamento del cristallo contenente gli atomi.

Il ricercatore post-dottorato JILA nonché primo autore dello studio, Jacob Higgins, ha spiegato come compiere questo determinante passo potrebbe realmente condurre verso la caratterizzazione della sistematica dell’orologio nucleare. Infatti, nel corso dello studio, è emersa una transizione insensibile alla temperatura, fondamentale per raggiungere un perfetto dispositivo di cronometraggio di precisione.

L’idea è quella di implementare un orologio nucleare a stato solido, che possa in futuro evolversi in un vero e proprio dispositivo di temporizzazione, con capacità di essere portatile e caratterizzato da una precisione determinante. L’obiettivo è di mantenere una stabilità di frequenza frazionaria pari a 10-18 per un funzionamento continuo.

Un metodo del tutto innovativo

Considerando che il nucleo di un atomo risulta essere minormente influenzato dai disturbi ambientali, se comparato all’influenza che, invece, subiscono i suoi elettroni, è possibile ipotizzare che un orologio nucleare riuscirebbe a mantenere la precisione in condizioni in cui, generalmente, i tradizionali orologi atomici non riuscirebbero a fare lo stesso, data la maggior resistenza del nucleare al rumore. Il più adatto, secondo le stime degli studiosi, sarebbe il torio-229, nucleo che possiede una transizione nucleare con energia bassa, il che rende possibile la scansione con laser ultravioletti, al posto dei raggi gamma.

Il laboratorio Ye, che si sta correntemente occupando della messa a punto di tale strumento, ha scelto di optare per un approccio diametralmente diverso rispetto al sistema di ioni intrappolati, decidendo di procedere incorporando il torio-229 all’interno del CaF2, cristallo di fluoruro di calcio. Si tratta di un metodo inizialmente sviluppato dai ricercatori della Technical University di Vienna e permette di ottenere una densità di nuclei di torio decisamente maggiore rispetto a quella garantita dalle tradizionali tecniche utilizzare come trappola ionica.

Gli esperimenti messi in atto

I ricercatori hanno successivamente proceduto con il raffreddamento e il riscaldamento del cristallo sottoposto al torio a tre diverse temperature, al fine di osservare come le stesse fossero in grado di influire sulla transizione nucleare. Nello specifico le temperature incluse nell’esperimento sono state -123°C con azoto liquido, -44°C con miscela di ghiaccio e metanolo e a temperatura ambiente (precisamente corrispondente a 293 K). La frequenza di transizione nucleare è stata misurata mediante l’impiego di un laser a pettine di frequenza, che ha dimostrato come la stessa subisse uno spostamento differente in base ad ogni mutamento di temperatura.

Mentre il cristallo subiva il riscaldamento si espandeva, facendo sì che il reticolo atomico subisse una lieve alterazione, spostando i gradienti del campo elettrico, causando, così, la definitiva divisione della transizione del torio in differenti linee spettrali. Inoltre, si è assistito a come l’espansione del reticolo sia stata in grado di modificare la densità di carica degli elettroni nel cristallo, determinando una modifica drastica nella forza di interazione degli elettroni con il nucleo.