Orologi al torio: i cristalli frenano la precisione

Per la prima volta, la frequenza di un laser viene stabilizzata dal cuore di un atomo, anziché dai suoi elettroni: è quanto accade negli orologi costruiti da gruppi di Vienna e Pechino, di cui Reuters ha riferito il 7 ottobre su Nature. Il nucleo di torio corregge continuamente il laser, offrendo ai fisici un nuovo strumento; minuscole variazioni di frequenza, causate dai cristalli che tengono fermo il torio, impediscono però per ora di usarlo come orologio affidabile.

Ogni orologio combina un ritmo e una correzione: il pendolo oscilla e, quando perde precisione, l’orologiaio lo regola. In un orologio atomico la correzione è affidata alla fisica: un laser viene confrontato di continuo con una transizione, cioè il passaggio tra due stati energetici che assorbe luce a una frequenza caratteristica. Questa frequenza è estremamente stabile, anche se l’ambiente dell’atomo può modificarla leggermente.

Negli orologi atomici convenzionali il salto riguarda un elettrone. Il torio-229 è insolito perché il suo nucleo presenta una transizione raggiungibile con la luce ultravioletta, mentre la maggior parte delle transizioni nucleari richiede radiazioni molto più energetiche. Poiché sono anche minuscoli, i nuclei dovrebbero risentire meno dei campi elettrici e magnetici dispersi rispetto alle nubi elettroniche che li circondano (Physics World).

Quando è il nucleo a guidare l’orologio

Entrambi i gruppi hanno inserito il torio-229 in piccoli cristalli di fluoruro di calcio e vi hanno fatto passare un laser ultravioletto a banda stretta. Quando la frequenza è esattamente quella giusta, i nuclei assorbono una quantità appena maggiore di luce. Il sistema di controllo sposta il laser sui due lati del picco di assorbimento, determina da quale parte si trovi e ne riporta la frequenza verso il centro (Vienna Nature paper, Chinese Nature paper).

Il meccanismo è simile a quello di un sistema che mantiene l’auto al centro della corsia: una telecamera rileva la posizione delle linee di demarcazione e il sistema corregge leggermente la traiettoria. Nell’orologio, il segnale di assorbimento fa da telecamera e il controllore del laser gira il volante.

La novità è proprio questo circuito di retroazione. Nel 2024 altri esperimenti erano già riusciti a stimolare la transizione con la luce laser (Physical Review Letters), ma il segnale veniva rilevato soprattutto attraverso il lento bagliore residuo dei nuclei eccitati, che arriva troppo tardi per correggere il laser istante per istante. Individuare una stazione radio una volta non equivale a restare sintonizzati: per il secondo compito, l’assorbimento diretto è abbastanza rapido.

I due gruppi hanno raggiunto il risultato in modo indipendente. TU Wien descrive il proprio dispositivo come un orologio nucleare ad auto-stabilizzazione (TU Wien), mentre il gruppo cinese ha lavorato sotto la guida della Tsinghua University (Tsinghua). Due realizzazioni indipendenti della stessa idea la sostengono più di una sola.

Stabile, ma non ancora preciso

Gli scienziati valutano due qualità distinte. La stabilità indica quanto regolare sia il ritmo dell’orologio da un istante all’altro e, sotto questo profilo, nessuno dei due prototipi eguaglia ancora gli orologi atomici ottici già in uso. La precisione riguarda invece la possibilità che l’orologio segni con costanza una frequenza sbagliata, come un orologio da polso che scandisca il tempo in modo impeccabile ma sia avanti di cinque minuti.

È sulla precisione che il cristallo crea problemi. Ogni nucleo di torio si trova in una zona diversa del cristallo e le tensioni locali o i difetti possono alterarne la frequenza caratteristica; la misura, quindi, può dipendere dal punto attraversato dal laser. Il gruppo di Pechino ha trovato un indizio incoraggiante: due cristalli coltivati separatamente hanno dato frequenze molto simili (Chinese Nature paper). Nessuno dei due gruppi ha ancora fornito un quadro completo di tutti gli effetti che potrebbero spostare la frequenza.

In ascolto della materia oscura

Anche se imperfetto, l’orologio è già utile ai fisici. Alcune teorie ipotizzano che la materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce gran parte della massa dell’universo, possa esercitare una lieve trazione ritmica sulle forze da cui dipendono queste frequenze. Un orologio nucleare e uno basato sugli elettroni risentirebbero in modo diverso di questa variazione, facendo oscillare con regolarità il rapporto tra i loro ritmi.

Vienna ha fatto funzionare il proprio orologio al torio accanto a un orologio atomico convenzionale, cercando proprio quell’oscillazione. Non ne ha rilevata alcuna; secondo gli autori, il risultato esclude alcuni specifici modelli di materia oscura, non la materia oscura in generale (Vienna Nature paper).

La definizione ufficiale del secondo si basa ancora sugli atomi di cesio (BIPM) e questi prototipi non la cambieranno a breve. Hanno però dimostrato che un nucleo può guidare un orologio in funzione. Per trasformare il risultato in una misura del tempo affidabile occorrono cristalli che trattengano il torio senza spostarne la frequenza: una sfida che spetta proprio ai gruppi di Vienna e Pechino che li coltivano.