Vienna, l’orologio nucleare ancora instabile

Il 7 ottobre 2026, due gruppi hanno riferito su Nature di aver costruito orologi che, mentre funzionano, restano agganciati al nucleo di un atomo (Vienna paper, Beijing paper). Il prototipo viennese ha funzionato per più di 24 ore senza che nessuno intervenisse (Vienna full text, Pro-Physik). Entrambi gli orologi sono ancora molto meno stabili dei migliori orologi atomici, ma offrono un nuovo tipo di riferimento, che potrebbe aiutare a capire se le costanti fondamentali della fisica cambiano nel tempo.

Immaginiamo una cantante che tiene una nota seguendo un diapason: quando la voce si sposta, l’orecchio coglie la differenza e lei corregge l’intonazione. Gli orologi atomici ottici funzionano in modo simile: il laser scandisce il ritmo, mentre il passaggio tra i livelli energetici degli elettroni di un atomo fa da diapason.

Nel torio-229 il diapason si trova invece dentro il nucleo, che può passare da uno stato all’altro quando viene colpito da luce ultravioletta vicina ai 148 nanometri (PTB notice). Entrambi i gruppi hanno inserito il torio in cristalli di fluoruro di calcio, un materiale trasparente che mantiene fermi gli atomi; quando il laser raggiunge la frequenza esatta, i nuclei assorbono una piccola parte della luce che lo attraversa.

Questa lieve diminuzione della luce fa da «orecchio» all’orologio: l’elettronica sposta leggermente la frequenza del laser avanti e indietro, mentre un rivelatore controlla da quale lato la luce si attenua di più. Il segnale indica al sistema in quale direzione correggere la frequenza per riportarla al centro, proprio come una cantante capisce se è salita o scesa troppo con la voce.

Nel 2024 i ricercatori avevano dimostrato che era possibile eccitare con un laser questo salto nucleare (2024 excitation paper). Il passo avanti, di cui abbiamo scritto mercoledì (To Brief), consiste in un circuito di controllo che funziona senza interruzioni: finché l’orologio resta acceso, il nucleo mantiene il laser in frequenza.

Due laboratori, due modi di stabilizzare il fascio

A Vienna il lavoro è diviso in due parti. Una cavità ottica, formata da due specchi contrapposti che intrappolano la luce e ne attenuano le oscillazioni, stabilizza il laser sul breve periodo; il segnale del torio corregge poi la deriva più lenta che la cavità non riesce a compensare da sola (TU Wien). TU Wien ha fatto crescere il cristallo, mentre l’istituto metrologico tedesco PTB ha costruito il laser ultravioletto insieme al Max Born Institute di Berlino (PTB research group).

Il gruppo di Pechino, guidato dalla Tsinghua University (Tsinghua), ha misurato un coefficiente di instabilità inferiore a quello di Vienna. Il valore indica quanto oscilla la frequenza dell’orologio durante brevi intervalli di misurazione: più è basso, più l’orologio è stabile. Quello di Pechino è risultato pari a 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), contro i 3 × 10⁻¹² di Vienna (Vienna full text).

Il gruppo di Pechino ha inoltre confrontato due cristalli cresciuti separatamente, rilevando tra le loro frequenze una differenza relativa di appena 2.8 × 10⁻¹³ (Beijing paper). È come se due diapason costruiti in laboratori diversi producessero quasi la stessa nota: un primo indizio che il riferimento nucleare si possa riprodurre con precisione.

Ancora lontani dagli orologi atomici

Rispetto ai migliori orologi basati sugli elettroni, entrambi i prototipi oscillano molto di più. Un orologio NIST con uno ione di alluminio è abbastanza stabile da rendere l’instabilità di Vienna circa 8.600 volte maggiore e quella di Pechino circa 1.400 volte maggiore (NIST, NIST aluminium-ion paper).

A Vienna è emerso anche un problema persistente legato al materiale: spostando il percorso del laser attraverso il cristallo, la frequenza misurata variava fino a circa 1,7 kilohertz, uno scarto troppo ampio per essere spiegato dal rumore di misurazione e probabilmente dovuto a tensioni e difetti del cristallo (Vienna full text). I ricercatori devono ancora verificare se cristalli di qualità migliore e un controllo più preciso del percorso del fascio possano ridurre questa variazione.

Perché insistere con un orologio tanto meno preciso? Il confronto tra due orologi basati su fenomeni fisici diversi può trasformarli in un rivelatore. Vienna ha affiancato il proprio orologio a uno a ioni di itterbio dell’ufficio metrologico austriaco, il BEV, usato soltanto come riferimento esterno al circuito di controllo. Il gruppo ritiene che, se le costanti della natura dovessero cambiare, la transizione nucleare reagirebbe in modo diverso dagli orologi basati sugli elettroni (Vienna paper).

Alcuni modelli della materia oscura prevedono proprio variazioni di questo tipo, simili a oscillazioni lente e ritmiche. Vienna ha cercato tali oscillazioni nel confronto tra i due orologi, senza rilevarne alcuna sopra la soglia di rilevamento. Il risultato stabilisce limiti superiori alla possibile intensità di questi effetti, ma non costituisce una scoperta.

Il secondo ufficiale resta definito dagli atomi di cesio e questi prototipi non modificano tale definizione (BIPM). Vienna ha mostrato che un nucleo può mantenere in frequenza un laser per un’intera giornata, mentre Pechino ha dimostrato che due cristalli possono concordare con precisione. Per trasformare questi risultati in una sonda più precisa delle leggi fisiche, chi coltiva i cristalli e costruisce i laser dovrà fare in modo che la nota nucleare resti la stessa da un campione all’altro.