Riassunto:
I ricercatori dell'Università Tecnica di Vienna e dell'Istituto Federale Tedesco di Fisica e Tecnologia hanno pubblicato risultati sperimentali su Nature, dimostrando il primo prototipo di orologio nucleare in grado di correggere automaticamente la frequenza del laser utilizzando il proprio segnale di transizione nucleare. Utilizza la transizione del livello di energia del nucleo atomico del torio-229 come punto di riferimento temporale e il dispositivo sperimentale ha funzionato stabilmente per più di 24 ore senza intervento manuale. Tuttavia, la "differenza di un secondo in 30 milioni di anni" nel rapporto è una conversione dell'immagine dell'indice di precisione. Ciò non significa che l'orologio sia stato misurato per decine di milioni di anni, né significa che questo dispositivo abbia raggiunto il livello più alto attualmente disponibile.
Gli orologi atomici tradizionali di solito utilizzano le transizioni del livello energetico degli elettroni nello strato esterno degli atomi per tenere il tempo; gli orologi nucleari collocano il segnale di riferimento all'interno del nucleo. Il torio-229 ha una transizione nucleare a bassa energia di circa 8,4 elettronvolt, che può essere eccitata da un laser ultravioletto sotto vuoto con una lunghezza d'onda di circa 148 nanometri. Il gruppo di ricerca ha incorporato ioni di torio in cristalli di fluoruro di calcio di dimensioni millimetriche, li ha irradiati con luce laser continua a temperatura ambiente e ha misurato l’assorbimento della luce laser da parte del cristallo per determinare se la frequenza deviava dal punto di risonanza, quindi ha utilizzato un circuito di feedback per regolare automaticamente la luce laser. I cambiamenti nel segnale di assorbimento della transizione nucleare possono essere rilevati in un tempo più breve, superando le precedenti difficoltà legate alla lettura della fluorescenza e al feedback lento.
Il team ha affermato che il potenziale vantaggio di questa soluzione è che il nucleo atomico è molto più piccolo dell'atomo nel suo insieme ed è teoricamente meno suscettibile ai disturbi esterni; in futuro, si prevede che gli orologi nucleari raggiungeranno un riferimento di frequenza più solido e saranno utilizzati per misurazioni e test precisi delle leggi fisiche fondamentali. Tuttavia, le prestazioni misurate dell’attuale prototipo sono ancora lungi dall’essere migliori di quelle degli orologi atomici ottici più avanzati. L'articolo riporta che l'instabilità di frequenza frazionaria in una singola operazione continua è nell'ordine basso 10⁻¹⁴ e la riproducibilità della frequenza tra operazioni in date diverse è di circa 5×10⁻¹³. Dopo una conversione intuitiva dei risultati dell'articolo, l'American Physical Society ritiene che l'instabilità misurata dell'orologio di Vienna equivalga approssimativamente a un errore di un secondo ogni 3 milioni di anni. L'Università Tecnica di Vienna stima che siano circa 30 milioni di anni al secondo utilizzando un indicatore vicino a 10⁻¹⁵. Gli indicatori e le condizioni operative corrispondenti alle due conversioni non sono esattamente le stesse, quindi "un secondo in 30 milioni di anni" non dovrebbe essere considerato una precisione assoluta provata o direttamente equivalente al miglior orologio atomico.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato questo set di orologi nucleari per cercare cambiamenti nell'energia di transizione nucleare che potrebbero essere causati dalla materia oscura ultraleggera. Nessun segnale significativo è stato trovato sulla scala temporale di osservazione da 20 secondi a un giorno, ma i limiti che ne derivano possono competere con alcuni esperimenti sull'orologio atomico. Lo stesso numero di Nature ha anche pubblicato un'altra serie di orologi nucleari al torio-229 sviluppati in modo indipendente da un team dell'Università di Tsinghua, dimostrando che questa direzione si sta spostando dalla misurazione dello spettro di transizione nucleare ai dispositivi di temporizzazione reali. I due prototipi sono ancora apparecchiature sperimentali di precisione e i successivi miglioramenti richiederanno laser ultravioletti sotto vuoto più potenti, cristalli più stabili e uniformi e una migliore riproducibilità della frequenza tra i lotti.
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