Lo scienziato PTB Johannes Thielking con la configurazione laser per le misurazioni delle proprietà nucleari del torio-229. Credito:PTB
Il nucleo di torio-229 possiede una proprietà che è unica tra tutti i nuclidi conosciuti:dovrebbe essere possibile eccitarlo con la luce ultravioletta. Ad oggi, poco si sa dello stato di bassa energia del nucleo Th-229 che è responsabile di questa proprietà. Insieme ai loro colleghi di Monaco e Magonza, i ricercatori del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hanno ora eseguito le prime misurazioni in assoluto, utilizzando metodi ottici, di alcune importanti proprietà di questo stato nucleare, come la forma della sua distribuzione di carica. In questo modo, un'eccitazione laser del nucleo atomico può essere monitorata, permettendo così di realizzare un orologio nucleare ottico che "ticchetta" in modo più preciso degli attuali orologi atomici. Gli scienziati hanno riportato i loro risultati nell'attuale numero di Natura .
Già circa 15 anni fa, Ekkehard Peik e Christian Tamm stavano sviluppando il concetto di un nuovo orologio atomico che aveva proprietà uniche al PTB di Braunschweig:invece di una frequenza di transizione tra due stati nel guscio elettronico utilizzata come generatore di impulsi del loro orologio, come avviene in tutti gli orologi atomici in uso oggi, prevedevano di utilizzare una frequenza di transizione nel nucleo. Poiché i protoni e i neutroni nel nucleo sono impacchettati più densamente degli elettroni nel guscio atomico di diversi ordini di grandezza, reagiscono in modo meno sensibile ai disturbi esterni che possono modificare le loro frequenze di transizione, fornendo così buone condizioni per un clock ad alta precisione.
Però, anche le frequenze delle transizioni nucleari sono molto più alte di quelle delle transizioni shell (nella gamma dei raggi X); per questa ragione, sono inutilizzabili per gli orologi atomici, quale, ad oggi, sono stati basati esclusivamente su microonde o luce laser. L'unica eccezione nota, e il fondamento della proposta di PTB, è il nucleo di torio-229. Questo nucleo possiede un quasi-stabile, stato nucleare isomerico ad energia di eccitazione eccezionalmente bassa. Così, esiste una transizione tra lo stato fondamentale e questo isomero, che è nella gamma di frequenza della luce ultravioletta, e quindi alla portata di una tecnologia laser simile a quella utilizzata negli attuali orologi atomici ottici.
Rappresentazione grafica di un orologio nucleare basato su una transizione nel nucleo atomico del torio-229 (a sinistra). In un simile orologio, il nucleo sarà eccitato con luce laser. Nel presente esperimento, l'eccitazione laser del guscio dell'elettrone ha permesso di misurare le proprietà rilevanti dell'eccitato, nucleo isomerico. Il corrispondente ritaglio dalla carta dei nuclei, che tabula tutti i nuclei atomici conosciuti, è visibile sullo sfondo. Lo stato fondamentale del torio-229 è elencato con la sua emivita di 7932 anni. L'emivita dello stato isomerico è solo 7 μs nell'atomo neutro, ma> 60 s per lo ione, poiché questo non può emettere un elettrone debolmente legato. Sono anche indicate le proprietà nucleari determinate m e Q indicative della distribuzione e della forma della carica. Credito:Christoph Duellmann, JGU Mainz
Più di dieci gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno attualmente lavorando a progetti riguardanti la fattibilità di un orologio nucleare al torio-229. In termini sperimentali, questo problema si è rivelato estremamente difficile. Per questa ragione, finora non è stato ottenuto alcun successo nell'osservare la transizione nucleare utilizzando metodi ottici, poiché la conoscenza dell'esatta energia di eccitazione dell'isomero è stata solo approssimativa. "Come desiderato per l'orologio, la risonanza della transizione è estremamente acuta e può essere osservata solo se la frequenza della luce laser corrisponde esattamente alla differenza di energia di entrambi gli stati. Il problema assomiglia quindi alla proverbiale ricerca di un ago in un pagliaio, " dice il dottor Peik.
Nel 2016, I partner di cooperazione del Dr. Peik presso la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) di Monaco di Baviera hanno riferito della loro prima svolta in Natura :Per la prima volta, sono stati in grado di dimostrare la transizione nucleare all'interno del nucleo di torio-229, anche se i metodi che usavano erano molto diversi da quelli usati per un orologio atomico.
Questo progetto di ricerca collaborativa - che, oltre agli scienziati PTB e LMU, comprende anche scienziati della Johannes Gutenberg University Mainz, l'Helmholtz Institute Mainz e il GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt - ha compiuto un altro passo decisivo:per la prima volta, è stato possibile misurare proprietà di base come la dimensione e la forma della distribuzione di carica nello stato eccitato del nucleo Th-229. A tal fine, i nuclei Th-229 non erano eccitati dal loro stato fondamentale (come accadrà in futuro nell'orologio); Invece, in un dispositivo sviluppato da LMU, sono stati ottenuti allo stato eccitato dal decadimento alfa dell'uranio-233, rallentato e immagazzinato come ioni Th2+ in una trappola ionica. Una fonte di uranio-233 adatta a questo scopo è stata fornita dai gruppi di Mainz e Darmstadt. Per mezzo di sistemi laser sviluppati al PTB per la spettroscopia di questi ioni, è stato possibile misurare accuratamente le frequenze di transizione nel guscio elettronico. Poiché queste frequenze sono direttamente influenzate dalle proprietà nucleari, possono essere utilizzati per ottenere informazioni su queste proprietà. Ad oggi, i modelli basati esclusivamente sulla teoria non sono stati in grado di prevedere come si comporterà la struttura del nucleo Th-229 durante questa transizione insolitamente a bassa energia. Per di più, perché la struttura del guscio elettronico è più facile da misurare usando la spettroscopia, è diventato possibile utilizzarlo per dimostrare un'eccitazione laser del nucleo.
Però, anche se ciò non significa che sia stata completata la ricerca della frequenza di risonanza ottica del nucleo del Th-229 (l'"ago nel pagliaio"), ora sappiamo che aspetto ha l'ago, portandoci un significativo passo avanti verso l'orologio atomico ottico.
