I fisici sperano in questo momento da molto tempo:da molti anni gli scienziati di tutto il mondo sono alla ricerca di uno stato molto specifico dei nuclei atomici di torio che promette applicazioni tecnologiche rivoluzionarie. Potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per costruire un orologio nucleare in grado di misurare il tempo in modo più preciso rispetto ai migliori orologi atomici oggi disponibili. Potrebbe anche essere utilizzato per rispondere a domande fondamentali completamente nuove in fisica, ad esempio la questione se le costanti della natura siano effettivamente costanti o se cambino nello spazio e nel tempo.
Ora questa speranza si è avverata:la tanto cercata transizione del torio è stata trovata e la sua energia è ora nota con esattezza. Per la prima volta è stato possibile utilizzare un laser per trasferire un nucleo atomico in uno stato di energia superiore e quindi monitorare con precisione il suo ritorno allo stato originale.
Ciò rende possibile unire due aree della fisica che prima avevano poco a che fare l’una con l’altra:la fisica quantistica classica e la fisica nucleare. Un prerequisito cruciale per questo successo è stato lo sviluppo di speciali cristalli contenenti torio.
Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Thorsten Schumm della TU Wien (Vienna) ha ora pubblicato questo successo insieme a un team dell'Istituto nazionale di metrologia Braunschweig (PTB) nella rivista Physical Review Letters .
Oggigiorno la manipolazione di atomi o molecole con i laser è un luogo comune:se la lunghezza d'onda del laser viene scelta esattamente giusta, gli atomi o le molecole possono passare da uno stato all'altro. In questo modo è possibile misurare in modo molto preciso l'energia degli atomi o delle molecole. Su questo si basano molte tecniche di misurazione di precisione, come gli attuali orologi atomici, ma anche metodi di analisi chimica. I laser vengono spesso utilizzati anche nei computer quantistici per archiviare informazioni in atomi o molecole.
Per molto tempo, però, è sembrato impossibile applicare queste tecniche ai nuclei atomici.
"I nuclei atomici possono anche passare da uno stato quantico all'altro. Tuttavia, di solito ci vuole molta più energia per cambiare un nucleo atomico da uno stato all'altro, almeno mille volte l'energia degli elettroni in un atomo o in una molecola", dice Schumm. "Questo è il motivo per cui normalmente i nuclei atomici non possono essere manipolati con i laser. L'energia dei fotoni semplicemente non è sufficiente."
Questo è un peccato perché i nuclei atomici sono in realtà gli oggetti quantistici perfetti per misurazioni di precisione:sono molto più piccoli degli atomi e delle molecole e sono quindi molto meno suscettibili ai disturbi esterni, come i campi elettromagnetici. In linea di principio, consentirebbero quindi misurazioni con una precisione senza precedenti.
L'ago nel pagliaio
Dagli anni '70 si ipotizza che possa esistere un nucleo atomico speciale che, a differenza di altri nuclei, potrebbe forse essere manipolato con un laser, vale a dire il torio-229. Questo nucleo ha due stati energetici molto strettamente adiacenti, così strettamente adiacenti che in linea di principio un laser dovrebbe essere sufficiente per cambiare lo stato del nucleo atomico.
Per molto tempo, però, dell’esistenza di questa transizione si sono avute solo prove indirette. "Il problema è che bisogna conoscere l'energia della transizione in modo estremamente preciso per poter indurre la transizione con un raggio laser", afferma Schumm.
"Conoscere l'energia di questa transizione fino a un elettronvolt è di scarsa utilità, se devi trovare l'energia giusta con una precisione di un milionesimo di elettronvolt per rilevare la transizione." È come cercare un ago in un pagliaio o cercare di trovare un piccolo scrigno del tesoro sepolto su un'isola lunga un chilometro.
Alcuni gruppi di ricerca hanno provato a studiare i nuclei di torio tenendoli individualmente in posizione in trappole elettromagnetiche. Tuttavia, Schumm e il suo team hanno scelto una tecnica completamente diversa.
"Abbiamo sviluppato cristalli in cui sono incorporati un gran numero di atomi di torio", spiega Fabian Schaden, che ha sviluppato i cristalli a Vienna e li ha misurati insieme al team PTB.
"Sebbene questo sia tecnicamente piuttosto complesso, ha il vantaggio che non solo possiamo studiare i singoli nuclei di torio in questo modo, ma possiamo colpire contemporaneamente con il laser circa 10 su 17 nuclei di torio:circa un milione di volte più di quanto ci siano stelle. nella nostra galassia."
Il gran numero di nuclei di torio amplifica l'effetto, accorcia il tempo di misurazione richiesto e aumenta la probabilità di trovare effettivamente la transizione energetica.
Il 21 novembre 2023 il team ha finalmente avuto successo:l’energia corretta della transizione del torio è stata raggiunta esattamente e i nuclei di torio hanno inviato per la prima volta un segnale chiaro. Il raggio laser aveva effettivamente cambiato lo stato. Dopo un attento esame e valutazione dei dati, il risultato è stato ora pubblicato.
"Per noi questo è un sogno che diventa realtà", afferma Schumm. Dal 2009 Schumm ha concentrato la sua ricerca interamente sulla ricerca della transizione del torio. Il suo gruppo e le squadre concorrenti provenienti da tutto il mondo hanno ottenuto più volte negli ultimi anni importanti successi parziali.
"Naturalmente, siamo lieti di essere ora quelli in grado di presentare la svolta decisiva:la prima eccitazione laser mirata di un nucleo atomico", afferma Schumm.
Ciò segna l’inizio di una nuova entusiasmante era di ricerca:ora che il team sa come eccitare lo stato del torio, questa tecnologia può essere utilizzata per misurazioni di precisione. "Fin dall'inizio, costruire un orologio atomico è stato un importante obiettivo a lungo termine", afferma Schumm.
"Similmente a come un orologio a pendolo utilizza l'oscillazione del pendolo come un timer, l'oscillazione della luce che eccita la transizione del torio potrebbe essere utilizzata come timer per un nuovo tipo di orologio che sarebbe significativamente più preciso dei migliori orologi atomici disponibile oggi."
Ma non solo il tempo può essere misurato in modo molto più preciso rispetto a prima. Ad esempio, il campo gravitazionale della Terra potrebbe essere analizzato in modo così preciso da fornire indicazioni sull'esistenza di risorse minerarie o terremoti. Il metodo di misurazione potrebbe anche essere utilizzato per andare a fondo dei misteri fondamentali della fisica:le costanti della natura sono davvero costanti? Oppure è possibile misurare i piccoli cambiamenti nel tempo?
"Il nostro metodo di misurazione è solo l'inizio", afferma Schumm. "Non possiamo ancora prevedere quali risultati otterremo. Sarà sicuramente molto emozionante."
Ulteriori informazioni: J. Tiedau et al, Eccitazione laser del nucleo Th-229, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.182501
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
