La svolta potrebbe rivoluzionare lo studio delle forze fondamentali dell’universo

Per la prima volta nella storia, i ricercatori hanno utilizzato la luce laser per spingere il nucleo di un atomo di torio a un livello energetico più elevato. Questa impresa scientifica apre la strada alla creazione di un’intera nuova generazione di orologi di precisione senza precedenti che sarebbero in grado di aiutarci a sondare le forze più fondamentali dell’universo.

Come funzionano gli orologi atomici?

Gli orologi atomici, che attualmente sono i più precisi di cui disponiamo, si basano su un affascinante principio della fisica quantistica. Usano atomi per misurare il tempo con estrema precisione.

Pensa a un atomo come a un piccolo sistema solare in miniatura, con un nucleo al centro e gli elettroni che ruotano attorno ad esso. Questi elettroni possono occupano diversi livelli energetici, un po’ come i pavimenti di un edificio. Quando un elettrone riceve una certa quantità di energia, può “saltare” da uno stadio all'altro. Questo è ciò che chiamiamo transizione energetica.

Ora prendiamo un laser, un raggio di luce concentrato. Se sintonizziamo la frequenza di questo laser in modo che corrisponda esattamente all'energia necessaria causare questo salto energetico in un dato elettrone accade qualcosa di molto speciale. L'elettrone assorbe quindi l'energia dal laser e passa a un livello energetico più elevato. Ma questo stato è instabile, quindi l'elettrone ritorna rapidamente al suo stato originale emettendo un fotone o un piccolo pacchetto di luce.

È questo il fenomeno particolarmente interessante per un orologio: la frequenza con cui questi fotoni vengono emessi è estremamente precisa e costante. Dipende direttamente dalla differenza di energia tra i livelli elettronici dell'atomo. Misurando questa frequenza possiamo quindi avere una misurazione del tempo molto precisa.

Per semplificare è un po’ come ogni « ticchettio » dell'orologio era il risultato di un elettrone che faceva un piccolo salto di energia nell'atomo.

La promessa degli orologi nucleari

Tuttavia, questi orologi atomici hanno dei limiti. Gli elettroni su cui poggiano sono infatti esterni agli atomi, costituendoli vulnerabile alle interferenze esterne come campi magnetici dispersi o altri effetti ambientali. Questi disturbi possono quindi modificare sottilmente i livelli energetici degli elettroni e, quindi, alterare il tempo di funzionamento dell'orologio.

È qui che entra in gioco l’orologio nucleare. A differenza degli orologi atomici, sfrutterebbe le transizioni energetiche dei nuclei all'interno degli atomiproteggendoli così da interferenze esterne.

Tuttavia, fino a poco tempo fa, la difficoltà nello sfruttarli era che le differenze tra i livelli energetici dei nuclei erano molto maggiori di quelli degli elettroni, rendendo difficile l’uso dei laser per provocare queste transizioni. Il che ci riporta a questo lavoro. I fisici hanno recentemente utilizzato la luce laser per spingere il nucleo di un atomo di torio al livello energetico desiderato.

Nuova svolta

Negli anni '70, gli scienziati fecero un'affascinante scoperta su un particolare isotopo del torio, torio-229. Hanno notato che questo isotopo aveva un livello di energia che sembrava rientrare nell'intervallo attraverso il quale la luce laser poteva passare. In altre parole, la luce laser aveva il potenziale per stimolare il torio-229 a un livello energetico più elevato.

Tuttavia, specificare questo specifico divario energetico è stata una sfida importante. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno dovuto eccitare il torio-229 a un livello energetico molto più elevato dei due livelli energetici a cui erano effettivamente interessati. Successivamente, hanno misurato le sottili differenze nell’energia della luce emessa mentre il torio-229 scendeva verso il livello energetico più alto.

Dopo decenni di sforzi e ricerche, i ricercatori hanno finalmente raggiunto il loro obiettivo. Hanno è riuscito a osservare direttamente un atomo di torio-229 facendo questo salto tra i livelli energeticidimostrando così una precisa variazione energetica di 8,35574 elettronvolt.

Per osservare direttamente questo atomo di torio-229, i ricercatori hanno utilizzato un metodo sofisticato che prevede di intrappolare gli atomi al suo interno cristalli di fluoruro di calcio. Confinandoli in un ambiente controllato, sono stati poi in grado di creare le condizioni ideali per osservare il salto tra i livelli di energia.

Prima di questa svolta, i ricercatori erano limitati dalla tecnologia disponibile per intrappolare e manipolare con precisione gli atomi di torio-229. I progressi nelle tecniche e nella manipolazione degli atomi sono stati quindi essenziali per consentire questa osservazione diretta.

Questa svolta è di fondamentale importanza, poiché apre la strada al potenziale sviluppo di nuovi orologi nucleari. Questi potrebbero quindi offrire un nuovo modo per misurare il tempo con estrema precisione al fine di sondare le forze fondamentali della fisica come l’energia oscura, materia nera e altri sfuggenti fenomeni cosmici con una prospettiva completamente nuova.

I dettagli dello studio sono pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica.