Svolta nella tecnologia degli orologi nucleari: precisione temporale senza precedenti all'orizzonte

RomeGli scienziati del JILA, un istituto di ricerca legato al NIST e all'Università del Colorado Boulder, hanno compiuto progressi nei orologi nucleari, migliorando la precisione nella misurazione del tempo. Diversamente dagli orologi atomici che sfruttano i cambiamenti nei livelli energetici degli elettroni, gli orologi nucleari misurano le variazioni nei livelli energetici del nucleo dell'atomo, che include protoni e neutroni.

I ricercatori hanno dimostrato fondamentali aspetti di questo orologio nucleare utilizzando torio-229. Lo hanno fatto:

• If laser particolare a ultravioletti per misurare la frequenza di un salto di energia nei nuclei di torio incorporati in un cristallo solido.
• Usare un pettine di frequenza ottica per contare il numero di cicli d'onda ultravioletta associati a questo salto di energia.
• Stabilire un collegamento diretto di frequenza tra la transizione nucleare del torio e un orologio atomico utilizzando lo stronzio.

Questa innovativa tecnologia offre una precisione estrema nella misurazione del tempo. Gli attuali orologi atomici, fondamentali per GPS, sincronizzazione internet e transazioni finanziarie, potrebbero risultare meno precisi rispetto agli orologi nucleari. Questo progresso potrebbe portare a migliori sistemi di navigazione, internet più veloce e comunicazioni digitali più sicure.

Gli orologi nucleari sono più resistenti ai disturbi esterni rispetto agli orologi atomici. Negli orologi atomici, gli elettroni sono influenzati dai campi elettromagnetici, mentre le transizioni nucleari risentono meno di tali campi. Inoltre, gli orologi nucleari misurano il tempo con maggiore precisione perché operano a una frequenza più alta a causa di cambiamenti energetici più rapidi.

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Creare raggi X coerenti per le transizioni nucleari è complicato. Tuttavia, il torio-229 è eccezionale poiché la sua transizione può essere innescata con luce ultravioletta, più facile da produrre in laboratorio. Esperimenti recenti hanno osservato e sfruttato con successo questa transizione, avvicinandoci allo sviluppo di orologi nucleari.

La ricerca ha rivelato nuovi dettagli sulla forma del nucleo di torio, dimostrando l'elevato grado di precisione raggiunto con questa nuova tecnologia. Caratteristiche mai viste prima nel nucleo di torio offrono intuizioni che potrebbero rivoluzionare gli esperimenti di fisica fondamentale. Per esempio, gli orologi nucleari potrebbero aiutare a rilevare la materia oscura o confermare la stabilità delle costanti fondamentali della natura, compiti solitamente svolti da grandi acceleratori di particelle.

Un orologio nucleare affidabile e portatile è in fase di sviluppo. Gli scienziati stanno esplorando l'uso del torio inserito in un cristallo solido per creare questi dispositivi. Questo approccio è promettente poiché il nucleo del torio risente meno delle variazioni ambientali. Il fisico Jun Ye del NIST e JILA ha precisato che, sebbene un orologio da polso che rimanga accurato per miliardi di anni non sia ancora realizzabile, la ricerca sta facendo progressi significativi in quella direzione.

Maggiore precisione degli orologi potrebbe portare a notevoli progressi in molti settori come trasporti, comunicazioni e fisica teorica. Questo aprirebbe la strada a importanti sviluppi in questi ambiti, tutti influenzati da un migliore rilevamento del tempo.