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Nel cristallo c’è un posto perfetto per l’orologio nucleare
Un gruppo dell'Università Tecnica di Vienna ha mappato le quattro posizioni che un atomo di torio può occupare all'interno di un cristallo, individuandone una quasi ideale per realizzare un orologio nucleare. Lo studio, pubblicato su Science, mostra che in quel punto il nucleo sperimenta un ambiente elettrico uniforme, requisito essenziale per ottenere una frequenza di riferimento stabile.
I migliori orologi atomici misurano il tempo osservando le transizioni degli elettroni tra diversi livelli energetici. Possono perdere meno di un secondo nell'intera età dell'universo, ma richiedono camere a vuoto, schermature e un controllo rigoroso dei campi esterni. Un orologio basato sul nucleo potrebbe essere fino a dieci volte più preciso, secondo il fisico Thorsten Schumm, e risulterebbe meno sensibile ad alcune interferenze perché il nucleo è schermato dagli elettroni circostanti.
Il candidato principale è il torio-229, un isotopo dotato di una transizione nucleare insolitamente poco energetica. Nel 2024 i ricercatori hanno dimostrato che questa transizione può essere innescata con luce ultravioletta ad alta purezza. Per quasi tutti gli altri nuclei servirebbe invece un laser a raggi gamma, uno strumento che non è ancora disponibile.
Dopo circa 15 anni di tentativi, il gruppo ha sviluppato cristalli trasparenti di fluoruro di calcio, grandi pochi millimetri e contenenti piccole quantità di torio-229. Inserire l'isotopo in un solido eliminerebbe parte delle complesse apparecchiature necessarie agli orologi tradizionali. La posizione occupata nel reticolo, tuttavia, può esporre il nucleo a un campo elettrico irregolare e alterare la frequenza della transizione.
Per distinguere le configurazioni, gli scienziati hanno illuminato il campione con un laser ultravioletto a una determinata frequenza per 60 secondi. Dopo averlo spento, hanno osservato per cinque minuti la luce emessa dai nuclei durante il ritorno allo stato energetico inferiore, ripetendo poi la procedura a frequenze diverse. Sono emersi quattro siti nel reticolo: tre restituivano luce a più lunghezze d'onda, mentre il quarto rispondeva a una sola.
La risposta a una singola lunghezza d'onda indica che il torio si trova in un campo elettrico uniforme, condizione favorevole alla stabilità dell'orologio. Il gruppo ha già costruito esemplari preliminari e brevettato un percorso verso prototipi su chip. Una squadra della Tsinghua University ha ottenuto risultati comparabili usando un laser più potente e un cristallo con una concentrazione inferiore di torio-229.
Questi dispositivi non hanno ancora superato i migliori orologi atomici e Schumm non indica una scadenza per raggiungere quel traguardo. Il gruppo prevede però di migliorare i propri prototipi di almeno tre ordini di grandezza entro fine anno. La priorità immediata è ridurre apparati da laboratorio a sistemi grandi quanto una scatola da scarpe, potenzialmente installabili nei server rack per mantenere sincronizzate transazioni e infrastrutture quando il segnale temporale satellitare non è disponibile.
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