Gli orologi al torio restano indietro

A Vienna e Pechino due gruppi hanno costruito i primi orologi che mantengono un laser sintonizzato su una transizione nel nucleo atomico, usando il torio-229 come riferimento (Reuters). Un’idea coltivata da tempo è così diventata uno strumento funzionante in laboratorio. Kyle Beloy, fisico del NIST, ha detto a Chemical & Engineering News che i prototipi sono ancora «lontani di diversi ordini di grandezza» dai migliori orologi atomici ottici per accuratezza e stabilità (C&EN).

I fisici puntano su un riferimento nucleare perché il nucleo risponde a forze diverse da quelle che agiscono sugli elettroni, su cui si basano i normali orologi atomici. Confrontare i due tipi di orologio offre un nuovo modo per verificare se le leggi della natura restino perfettamente costanti.

Come un cristallo diventa un orologio

Entrambi i gruppi fanno passare luce ultravioletta al laser attraverso cristalli contenenti torio-229 e cercano nella luce in uscita una lieve diminuzione di intensità (To Brief). La diminuzione compare quando il laser raggiunge la frequenza precisa assorbita dai nuclei: i fisici chiamano questo punto di risonanza.

Individuare la diminuzione una volta è facile rispetto a mantenere il laser sintonizzato. Per riuscirci, i gruppi misurano l’assorbimento a frequenze appena sopra e appena sotto quella prescelta: se il laser è esattamente al centro, l’assorbimento è uguale su entrambi i lati; se deriva, uno dei due assorbe di più e lo squilibrio indica al sistema di controllo in quale direzione correggere la frequenza.

È come trovarsi sulla cima di una collina avvolta dalla nebbia: la vetta non si vede, ma basta un passo a sinistra e uno a destra per capire da che parte il terreno scende. Correggendo di continuo la frequenza, il laser diventa un orologio.

Tre modi in cui un orologio può sbagliare

Una bilancia pesapersone e un peso di calibrazione aiutano a distinguere tre concetti. La stabilità indica quanto oscilla la lettura mentre il peso resta fermo; la riproducibilità, se la bilancia mostra lo stesso valore il giorno dopo; l’accuratezza, se quel valore corrisponde alla massa reale.

Per misurare la stabilità, i fisici usano un «coefficiente di instabilità», che indica quanto varia la frequenza di ticchettio calcolando una media nel tempo: più è basso, meglio è. Pechino ha riportato 5 × 10⁻¹³ su una registrazione di 3,8 ore (Beijing manuscript); l’orologio di Vienna ha funzionato senza supervisione per un’intera giornata, registrando 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Per confronto, un orologio atomico a ioni di alluminio già pubblicato raggiunge circa 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Ogni cifra di differenza nell’esponente corrisponde a un fattore dieci: è questo il divario descritto da Beloy. I due gruppi che lavorano sugli orologi nucleari hanno usato configurazioni e tempi di media diversi, quindi il valore più basso di Pechino non basta a fare del suo il migliore dei due.

Questi dati riguardano soltanto le oscillazioni a breve termine. Nessuno dei due gruppi ha ancora presentato un bilancio completo dell’accuratezza, cioè un esame di tutti gli effetti che potrebbero spostare l’orologio dalla sua frequenza reale; perciò il divario di accuratezza non si può ancora quantificare.

Un obiettivo che non resta fermo

Anche il picco di assorbimento misurato è ampio: quello scelto a Pechino si estendeva per circa 27 kilohertz (Physics World). Un picco largo è un bersaglio sfocato, che rende più difficile per il sistema di controllo individuare il centro esatto.

La seconda difficoltà è emersa a Vienna. Spostando il raggio laser fra cinque punti dello stesso cristallo, il gruppo ha osservato che il centro della risonanza variava fino a circa 1,7 kilohertz, mentre la dispersione casuale delle misure ne spiegherebbe soltanto circa 0,13 (Vienna manuscript). In altre parole, la frequenza di riferimento apparente cambiava a seconda del punto colpito dal raggio, come una bilancia che indica valori diversi in base a dove si appoggia il peso.

Il gruppo non ha ancora individuato la causa e propone, fra le possibili soluzioni, di rendere perfettamente ripetibile il percorso del raggio. Questa disomogeneità aiuta a spiegare perché a Vienna le frequenze concordassero fra un giorno e l’altro soltanto entro circa 5 × 10⁻¹³ (Vienna Nature paper), con una precisione inferiore a quella suggerita da una singola sessione di misura.

Vienna e Pechino hanno dimostrato che i nuclei in un cristallo possono guidare un laser e mantenerlo agganciato per ore, fino a un’intera giornata. La stabilità misurata resta molto al di sotto di quella dei migliori orologi ottici e l’accuratezza deve ancora essere valutata. Il secondo ufficiale è tuttora definito dall’atomo di cesio (BIPM). Il prossimo traguardo è concreto: ripetere le misure in giorni diversi e con strumenti diversi, tenere conto di ogni spostamento sistematico e infine confrontare a lungo gli orologi nucleari e quelli ottici.