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Torio-229, il laser riesce a leggere il nucleo: gli orologi nucleari sono vicini?
Un gruppo di ricercatori ha eccitato il nucleo del torio-229 con un laser continuo a banda stretta, usando una potenza inferiore a un nanowatt, e ha rilevato il segnale attraverso l’assorbimento della luce. Il risultato, pubblicato su Nature, permette di acquisire il segnale senza attendere il lento decadimento della fluorescenza nucleare: un passaggio utile per sviluppare orologi che ricavino il proprio riferimento di frequenza da una transizione del nucleo atomico.
Il torio-229 possiede una transizione nucleare a energia particolarmente bassa, circa 8,4 elettronvolt, accessibile con luce ultravioletta nel vuoto alla lunghezza d’onda di 148 nanometri. Questa proprietà consente di studiarlo con i laser anche quando è incorporato in un cristallo trasparente. Nei precedenti esperimenti di eccitazione si utilizzavano sorgenti laser impulsate, ma soltanto una piccola frazione dei fotoni incidenti era in risonanza con la transizione, cioè aveva la frequenza adatta a eccitare i nuclei.
La dispersione della potenza fra frequenze inutilizzabili emerge chiaramente da uno degli approcci precedenti: un pettine di frequenze a femtosecondi, impiegato per generare armoniche elevate, produceva circa centomila modi non risonanti, mentre uno solo contribuiva al segnale. Il sistema riusciva a risolvere righe nucleari larghe fra 10 e 100 kilohertz, ma gran parte della radiazione non partecipava all’eccitazione. La sorgente continua concentra invece la potenza in una banda confrontabile con quella della transizione o più stretta.
La spettroscopia di assorbimento misura la diminuzione della potenza luminosa quando il fascio attraversa il campione. Per ricavare il segnale, i ricercatori modulano la frequenza del laser e rilevano le variazioni della luce trasmessa correlate alla modulazione. Nei metodi basati sulla fluorescenza, invece, si osservava l’emissione dopo aver bloccato il fascio, con una costante di decadimento di circa 600 secondi. La lettura in assorbimento elimina questo vincolo: i tempi di interrogazione possono essere scelti per ottimizzare il rapporto fra segnale e rumore.
La sorgente impiegata parte da un laser a diodo infrarosso a 1.187 nanometri e raggiunge l’ultravioletto attraverso tre passaggi consecutivi di raddoppio della frequenza. Nell’ultimo passaggio è essenziale un cristallo di tetraborato di stronzio, che permette di arrivare a 148 nanometri. L’architettura interamente a stato solido richiede la stabilizzazione in frequenza di un solo laser, alla lunghezza d’onda infrarossa di partenza, facilmente collegabile ad altri orologi ottici.
Nel cristallo di fluoruro di calcio, il gruppo ha inoltre caratterizzato due diversi ambienti locali del torio e misurato lo spostamento isomerico fra le rispettive risonanze. Uno presenta un gradiente statico del campo elettrico di appena 0,1 volt per ångström quadrato, contro valori dell’ordine di 100 osservati in precedenza. Secondo i ricercatori, il dato indica una disposizione altamente simmetrica degli ioni attorno al nucleo, promettente per ottenere risonanze quasi indipendenti dalla distanza fra gli elementi del reticolo cristallino.
Un vincolo fisico rimane il tempo di coerenza della risonanza nei cristalli di fluoruro, stimato inferiore a 10 millisecondi per effetto dell’interazione magnetica con i nuclei di fluoro-19 circostanti. Questo intervallo determina il tempo massimo di eccitazione utile per ottenere la riga spettroscopica più stretta, un parametro distinto dai circa 600 secondi che caratterizzano il decadimento dello stato nucleare eccitato.
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