I moderni orologi atomici sono gli strumenti di misurazione più accurati attualmente disponibili. I migliori strumenti attuali deviano solo di un secondo in 30 miliardi di anni. Però, anche questo straordinario livello di precisione può essere migliorato. Infatti, un orologio basato su uno stato nucleare eccitato di torio-229 dovrebbe consentire di aumentare la precisione di temporizzazione di un altro ordine di grandezza.

Ora, un gruppo di ricerca guidato dal fisico Peter Thirolf alla Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco con collaboratori istituzionali ha compiuto un passo importante verso un simile orologio. Il nuovo studio è pubblicato sulla rivista Natura .

Nella carta, gli autori riferiscono di essere riusciti a quantificare l'energia rilasciata dal decadimento del nucleo eccitato di torio-229, che è un prerequisito essenziale per la realizzazione di un orologio nucleare a base di torio.

A differenza degli attuali orologi atomici, che fanno uso di oscillazioni nei gusci elettronici esterni degli atomi, gli orologi nucleari impiegano oscillazioni all'interno del nucleo come loro segnatempo. In entrambi i casi, le oscillazioni sono il prodotto delle transizioni tra livelli energetici definiti, che può essere eccitato dalla luce laser di una specifica lunghezza d'onda. Tipicamente, le energie richieste per eccitare le oscillazioni nella stragrande maggioranza dei nuclei atomici sono ordini di grandezza superiori a quelle richieste per stimolare le transizioni nei gusci orbitali degli elettroni, il che preclude l'uso di laser convenzionali per questo scopo. Però, c'è solo un possibile candidato per lo sviluppo di un orologio nucleare:il nucleo di torio-229. Il suo stato eccitato si trova ad un'energia che è di gran lunga la più bassa di qualsiasi stato trovato nei circa 3800 nuclei atomici attualmente conosciuti. Irradiazione con luce UV, che rientra nelle capacità dei laser ora disponibili, è sufficiente per popolare questo stato eccitato.

Però, fino ad ora, l'energia precisa richiesta per generare il torio eccitato-229 è rimasta sconosciuta. "Per indurre la transizione nucleare, la lunghezza d'onda della luce laser deve essere sintonizzata per corrispondere esattamente all'energia di transizione. Ora siamo riusciti a misurare questo proprio per la prima volta, "dice Benedetto Seiferle, autore principale del nuovo articolo.

Per queste misurazioni, svolto presso LMU, gli autori dello studio hanno fatto uso del catione torio-229 a doppia carica. Le sorgenti che forniscono questo catione allo stato nucleare eccitato sono state sviluppate a Magonza e quindi collocate all'interno di una trappola ionica dedicata sviluppata presso LMU. Lo stato eccitato del catione ha una durata di ore. Questo è relativamente lungo per uno stato nucleare eccitato ed è cruciale per il futuro sviluppo dell'orologio, ma ostacola la misurazione dell'energia di decadimento. "Questa lunga durata significa che il decadimento allo stato fondamentale si verifica solo raramente. Poiché la misurazione di questo decadimento era l'obiettivo del nostro esperimento, abbiamo sfruttato il fatto che il decadimento avviene rapidamente quando ai cationi viene data l'opportunità di raccogliere gli elettroni mancanti, "dice Seiferle.

Per fornire elettroni, Seiferle e colleghi hanno guidato gli ioni attraverso uno strato di grafene. Nel suo percorso attraverso questo strato, ogni ione preleva due elettroni ed emerge come un atomo neutro dall'altra parte. Grazie a questa fase di neutralizzazione controllata, lo stato eccitato decade quindi allo stato fondamentale entro pochi microsecondi. Gli atomi neutralizzati espellono un elettrone da un guscio atomico esterno, generando così uno ione torio-229 caricato positivamente. L'energia cinetica dell'elettrone libero dipende dall'energia di eccitazione dello stato nucleare e viene determinata utilizzando uno spettrometro elettronico. Però, questa energia è solo una frazione dell'energia utilizzata per generare lo stato nucleare eccitato. Il resto rimane nel torio-229, che rende complessa l'interpretazione degli spettri risultanti. Per aggirare questo problema, gli autori del Max-Planck Institute for Theoretical Physics di Heidelberg hanno calcolato gli spettri previsti. Con l'aiuto di queste previsioni, e in collaborazione con i loro colleghi di Vienna e Bonn, il team di Monaco è stato quindi in grado di determinare l'energia effettivamente associata al decadimento dello stato nucleare eccitato.

Il risultato indica che il nucleo di torio-229 può essere eccitato a questo livello mediante irradiazione con luce laser a una lunghezza d'onda di circa 150 nanometri. Ora è possibile costruire laser progettati specificamente per emettere in questa gamma di lunghezze d'onda. Questo passo avvicinerà molto il primo orologio nucleare alla realizzazione pratica. I ricercatori ritengono che un orologio nucleare a base di torio aprirà nuove strade nelle scienze di base, ma troverà anche molte applicazioni, che diventano possibili solo sulla base di misurazioni estremamente precise nel dominio del tempo.