Orologio nucleare

L'orologio nucleare ottico è un orologio atomico in fase di sviluppo che utilizza l'energia di una transizione di un isomero nucleare come riferimento di frequenza. A differenza degli orologi atomici convenzionali, che si basano sulle transizioni degli elettroni atomici, questi innovativi orologi nucleari sfruttano le transizioni energetiche del nucleo come riferimento di frequenza. Un orologio di questo tipo è circa dieci volte più accurato di altri orologi atomici, raggiungendo un'accuratezza

Δff dell'ordine di 10−19.

L'unico stato nucleare adatto allo sviluppo di un orologio nucleare con la tecnologia esistente è il torio-229m, un isomero del torio-229 conosciuto per essere quello a più bassa energia. La sua energia di 8.355733554021(8) eV, che corrisponde a una frequenza di 2020407384335 ± 2 kHz e a una lunghezza d'onda di 148.382182883 nm (nella regione dell'ultravioletto), rendendo così possibile eccitare lo stato isomerico tramite luce laser.

Principio di funzionamento

Gli orologi atomici sono oggi i dispositivi più accurati per misurare il tempo. Il loro funzionamento si basa sul fatto che la differenza di energia tra due livelli di due stati legati di un elettrone in un atomo è costante nello spazio e nel tempo. L'elettrone legato può essere eccitato grazie alla radiazione elettromagnetica, precisamente questo avviene quando all'energia radiativa del fotone corrisponde l'energia della transizione. Tramite la relazione di Planck, questa transizione energetica corrisponde ad una particolare frequenza. Irradiando un campione di atomi identici opportunamente preparato e misurando il numero di eccitazioni indotte, la frequenza di una sorgente luminosa può essere regolata in modo da massimizzare questa risposta e perciò determinare precisamente la transizione energetica dell'elettrone corrispondente. La transizione energetica, perciò, costituisce uno standard di riferimento, che può essere usato per calibrare tale sorgente di luce in modo affidabile.

Orologi atomici convenzionali usano le frequenze a microonde (onde radio ad alta frequenza), ma, grazie allo sviluppo dei laser che ha permesso di generare frequenze di luce molto stabili, la tecnologia del pettine di frequenze permette di contare queste oscillazioni (misurate in centinaia di THz, che significa 1014 cicli al secondo) con un'accuratezza straordinariamente elevata. Un dispositivo che usa un laser in questo modo viene denominato orologio atomico ottico.

Un esempio emblematico di un orologio atomico ottico è l'orologio a reticolo con itterbio (Yb), dove una particolare transizione elettronica nell'isotopo dell'itterbio-171 viene usata per la stabilità del laser. In questo caso, in un secondo ci sono 518295836590863,63±0,1 oscillazioni della luce del laser stabilizzato in corrispondenza della transizione elettronica. Altri esempi di orologi atomici ottici di altissima precisione sono l'orologio a singolo ione dell'itterbio-171, l'orologio a reticolo ottico con stronzio-87 e l'orologio a singolo ione dell'alluminio-27. L'accuratezza raggiunta in questi orologi è dell'ordine di 10−18, che corrisponde ad un secondo di inaccuratezza in 30 miliardi di anni, un tempo più lungo dell'età dell'universo.

Un orologio nucleare ottico utilizza lo stesso principio di funzionamento, con la sostanziale differenza che per la stabilizzazione del laser si utilizza la transizione nucleare, anziché una transizione elettronica in una shell atomica. Il vantaggio previsto di un orologio nucleare è che il nucleo atomico è molto più piccolo rispetto alla shell atomica di cinque ordini di grandezza, con corrispondenti dipoli magnetici e momenti quadrupoli elettrici più piccoli, e perciò è meno influenzato dai campi elettrici e magnetici esterni. Tali perturbazioni esterne sono il fattore limitante per le accuratezze raggiunte dagli orologi atomici basati su transizioni elettroniche. Questo vantaggio concettuale permetterebbe di creare orologi nucleari ottici con un'accuratezza dell'ordine di 10−19, ossia dieci volte più precisi di un orologio atomico standard.

Ionizzazione

Un nucleo atomico eccitato può rilasciare la sua energia in eccesso in due percorsi alternativi:

  • tramite radiazione, emettendo un fotone (raggio gamma), oppure
  • o tramite una conversione interna, trasferendo energia ad un elettrone di una shell che sarà emessa dall'atomo.

L'energia disponibile, per la maggior parte degli isomeri nucleari, è sufficiente per emettere un qualsiasi elettrone; gli elettroni della shell interna sono quelli più frequentemente emessi. Nel caso specifico dell'isomero 229mTh, l'energia è sufficiente per emettere solo un elettrone nella shell esterna (l'energia di ionizzazione del torio è 6.3 eV), e se l'atomo è già ionizzato, non c'è abbastanza energia per emetterne un secondo (la seconda energia di ionizzazione è 11.5 eV).

I due percorsi di decadimento hanno un tempo di dimezzamento diverso. L'isomero neutro 229mTh decade esclusivamente mediante conversione interna con tempo di dimezzamento 7±1 μs. Nei cationi del torio la conversione interna è energeticamente proibita e, di conseguenza, 229mTh+ è costretto a seguire il percorso più lento, decadendo radiativamente con un tempo di dimezzamento di circa mezz'ora.

Pertanto, nel caso tipico di un orologio progettato per misurare i fotoni emessi, è necessario mantenere il torio in uno stato ionizzato. Questo può essere fatto in una trappola ionica, oppure incorporandolo in un cristallo ionico con una band gap che sia maggiore dell'energia di transizione. In questo ultimo caso gli atomi non sono 100% ionizzati e una certa quantità di conversione interna è possibile (riducendo il tempo di dimezzamento a circa 10 minuti), questa perdita è tollerabile.

Diversi concetti di orologio nucleare

In letteratura sono stati discussi due diversi concetti per gli orologi ottici nucleari: gli orologi nucleari a trappola ionica e gli orologi nucleari a stato solido.

Orologi nucleari a trappola ionica

In un orologio a trappola ionica, si intrappola o un singolo ione 229mTh3+ in una trappola ionica di Paul (noto come orologio nucleare a singolo ione), oppure una catena di ioni multipli (denominato orologio nucleare a ioni multipli). Ci si aspetta che questi orologi raggiungano la massima accuratezza temporale, dato che gli ioni sono, in gran parte, isolati dal loro ambiente. Un orologio nucleare a multi-ione potrebbe avere un significativo vantaggio rispetto all'orologio nucleare a singolo ione per quanto riguarda la stabilità della performance.

Orologi nucleari a stato solido

Dato che il nucleo è largamente insensibile alla shell atomica, è interessante incorporare molti nuclei in un reticolo cristallino. Questo concetto è noto come orologio nucleare a reticolo cristallino. Grazie all'elevata densità dei nuclei incorporati (che può raggiungere 1018 nuclei per cm3), questo concetto permetterebbe l'irradiazione di un grande numero di nuclei in parallelo, aumentando drasticamente così il rapporto segnale-rumore raggiungibile, ma a discapito di una potenziale perturbazione esterna. È stato anche proposto di irradiare una superficie metallica di 229Th e misurare l'eccitazione dell'isomero nel canale della conversione interna, che è conosciuto come orologio nucleare a conversione interna. Entrambi i tipi di orologio nucleare a stato solido hanno dimostrato di offrire il potenziale per raggiungere performance comparabili.

Requisiti di transizione

In base al principio di funzionamento di un orologio ottico nucleare, è evidente che l'eccitazione laser diretta di uno stato nucleare è un requisito fondamentale per lo sviluppo di tali orologi. Questo è impossibile per la maggior parte delle transizioni nucleari, dato che l'intervallo energetico tipico di una transizione nucleare (da keV a MeV) è di ordini di grandezza superiore all'energia massima che le attuali tecnologie laser a banda stretta possono fornire. Ci sono solo due stati nucleari eccitati noti che possiedono un'energia di eccitazione sufficientemente bassa (sotto i 100 eV):

Tuttavia, l'isomero 235m1U ha un tempo di dimezzamento radiativo straordinariamente lungo (dell'ordine di 1022s, 20.000 volte l'età dell'universo, e di gran lunga più lungo del suo tempo di dimezzamento per conversione interna, che è di 26 minuti), il che lo rende impraticabile per l'uso in un orologio. Questo lascia solo il 229mTh come una realistica possibilità di eccitazione nucleare diretta tramite laser.

Ulteriori requisiti per lo sviluppo di un orologio nucleare sono che:

Fortunatamente, dato che il 229mTh++ ha un tempo di dimezzamento radiativo (tempo di decadere in 229Th+) di circa 103s, e il 229Th+ ha un tempo di dimezzamento (tempo di decadere in 225Ra) di 7917±48 anni, entrambe le condizioni sono soddisfatte per il 229mTh+, facendone un candidato ideale per lo sviluppo di un orologio nucleare.

Storia

Storia degli orologi nucleari

Nel 1996 Eugene V. Tkalya propose di usare l'eccitazione nucleare come sorgente luminosa altamente stabile per la metrologia.

Con lo sviluppo (attorno al 2000) del pettine di frequenze per la misurazione esatta delle frequenze ottiche, un orologio nucleare basato sul 229mTh è stato proposto per la prima volta da Ekkehard Peik and Christian Tamm, che svilupparono un'idea di Uwe Sterr. L'articolo contiene entrambi i concetti: sia l'orologio a singolo ione, sia l'orologio nucleare a stato solido.

Nel loro lavoro pioneristico, Peik e Tamm proposero l'uso di singoli ioni 229mTh3+ raffreddati tramite laser in una trappola di Paul per eseguire una spettroscopia laser nucleare. Qui, lo stato di carica 3+ è vantaggioso, dato che possiede una struttura degli strati elettronici adatta per il raffreddamento laser diretto. Fu inoltre proposto di eccitare uno stato dello strato elettronico per ottenere dei "buoni" numeri quantici per il sistema totale (strato + nucleo), il che porta a una riduzione dell'influenza indotta da campi perturbativi esterni. L'idea centrale è di verificare l'avvenuta eccitazione laser dello stato nucleare tramite lo spostamento della struttura iperfine indotto nello strato elettronico, dovuto ai differenti spin nucleari dello stato fondamentale e di quello eccitato. Questo metodo è noto come metodo a doppia risonanza.

Le prestazioni attese di un orologio nucleare a singolo ione furono ulteriormente investigate nel 2012 da Corey Campbell con il risultato che si potrebbe raggiungere un'incertezza sistematica sulla frequenza (accuratezza) dell'orologio di 1.5×10−19che sarebbe di circa un ordine di grandezza migliore rispetto all'accuratezza raggiunta oggi dai migliori orologi atomici. L'approccio proposto da Campbell differisce leggermente da quello originale di Peik e Tamm. Invece di eccitare uno stato dello strato elettronico per ottenere la massima insensibilità ai campi perturbativi esterni, l'orologio nucleare proposto da Campbell usa una coppia allungata di stati iperfini nucleari nella configurazione dello stato fondamentale elettronico, il che appare vantaggioso in termini di fattore di qualità raggiungibile e di una migliore soppressione dello shift di Zeeman quadratico.

Nel 2010 Eugene mostrò che era teoricamente possibile usare il 229mTh come mezzo di emissione per generare laser ultravioletto.

L'approccio dell'orologio nucleare a stato solido è stato ulteriormente proposto da W.G. Rellergert et al. con il risultato di un'accuratezza prevista di 2×10−16. Anche se ci si aspetta che sia meno accurato dell'approccio degli orologi nucleari a singolo ione a causa degli effetti di allargamento della linea e spostamenti termici nell'ambiente del reticolo cristallino, tuttavia questo approccio può avere dei vantaggi in termini di compattezza, robustezza e potenza consumata. La stabilità prestazionale attesa è stata investigata da Kazakov nel 2012.

Passi importanti nel percorso verso la realizzazione di un orologio nucleare includono il raffreddamento laser diretto, realizzato con successo, di ioni 229Th3+ in una trappola di Paul, ottenuto nel 2011. A questo si aggiunge la prima rilevazione, nel 2018, dello spostamento della struttura iperfine indotto dall'isomero; questo risultato ha reso possibile l'uso del metodo a doppia risonanza per verificare il successo di un'eccitazione nucleare.

Storia del 229m Th

Fin dal 1976, il nucleo del 229Th era noto per possedere un livello eccitato a bassa energia. La sua energia di eccitazione fu inizialmente stimata inferiore a 100 eV e, nel 1990, a meno di 10 eV. Si trattava, tuttavia, di un intervallo di energia troppo ampio per applicare tecniche spettroscopiche ad alta risoluzione; l'energia di transizione doveva prima essere determinata con maggiore precisione. I primi tentativi usarono il fatto che, dopo un decadimento alpha dell'233U, il nucleo risultante del 229Th è uno stato eccitato, che prontamente emette un raggio gamma verso uno stato fondamentale o metastabile. Le misurazioni delle piccole differenze nelle energie dei raggi gamma emessi in questi processi permette allo stato energetico metastabile di essere trovato tramite sottrazione. Tuttavia, esperimenti nucleari non erano in grado di misurare con precisione la differenza tra questi due raggi gamma ad alta energia, quindi altri esperimenti erano necessari. Data la natura radioattiva dei decadimenti del 229Th, era necessaria una precisione estremamente elevata nella frequenza laser per eccitare un numero sufficiente di nuclei in un esperimento, al fine di superare la radiazione di fondo e ottenere una misura più accurata dell'energia di eccitazione. Dato che era impraticabile scansionare l'intero intervallo di 100eV, una precisa stima della corretta frequenza era necessaria.

Un passo falso iniziale fu la misurazione errata del valore di energia nel 1994 pari a 3.5±1.0 eV. Questa frequenza di luce è relativamente facile da usare , quindi molti esperimenti di diretta rilevazione sono stati tentati, i quali però non avevano alcuna speranza di successo. Questo perché i materiali utilizzati erano opachi ai fotoni con l'energia reale (che è più alta). In particolare:

  • l'ossido di torio è trasparente ai fotoni a 3.5 eV, ma è opaco a 8.3 eV,
  • le comuni lenti ottiche e le finestre dei materiali come il quarzo fuso sono opache ad energie superiori a 8 eV,
  • le molecole dell'ossigeno nell'aria sono opache ai fotoni sopra i 6.2 eV; gli esperimenti devono essere condotti in atmosfere di azoto e argon,
  • l'energia di ionizzazione del torio è di 6.3 eV quindi il nucleo decadrà per conversione interna a meno che non venga impedita.

Il valore dell'energia rimase irrisolto fino al 2003, quando la proposta di un orologio nucleare scatenò una moltitudine di sforzi sperimentali che tentarono di determinare con precisione i parametri dello stato eccitato come energia e vita media. La rilevazione della luce emessa in un decadimento diretto del torio 229mTh avrebbe aiutato significativamente a determinare la sua energia con maggiore precisione, ma tutti gli sforzi di osservare questa luce messa da 229mTh fallirono. Il livello energetico fu corretto a 7.6±0.5 eV nel 2007 (rivisto a 7.8±0.5 eV nel 2009). I successivi esperimenti continuarono a fallire ad osservare qualsiasi segnale di luce emessa nel decadimento diretto, portando gli scienziati a ipotizzare l'esistenza di un canale di decadimento non radiativo molto forte. La rilevazione della luce emessa da decadimento del 229mTh è stata riportata nel 2012, e ancora nel 2018, ma i segnali osservati rimasero oggetto di controversia all'interno della comunità scientifica.

Nel 2016 è stata realizzata una rilevazione diretta degli elettroni emessi dal canale di decadimento per conversione interna dell'isomero. Questa scoperta ha posto le basi per la determinazione della vita media del 229mTh in atomi neutri legati a una superficie (avvenuta nel 2017) e per una prima caratterizzazione tramite spettroscopia laser (nel 2018).

Nel 2019, l'energia dell'isomero è stato misurata tramite rilevamento della conversione interna degli elettroni emessa nel suo decadimento diretto verso lo stato fondamentale a 8.28±0.17 eV. Inoltre la prima eccitazione riuscita dello stato nucleare eccitato di 29keV del 229Th tramite radiazione di sincrotrone è stata riportata, permettendo una misura della transizione energetica dell'orologio di 8.30±0.92 eV. Nel 2020, una energia di 8.10±0.17 eV è stata ottenuta da spettroscopia gamma di precisione.

Infine, precise misure sono state ottenute nel 2023 da incontrovertibile rilevazione dei fotoni emessi a 8.338(24)eV e nell'aprile 2024 da due lavori di eccitazione con un laser sintonizzabile a 8.355733(10) eV e 8.35574(3) eV. La frequenza di luce è ora sufficientemente accurata per costruire prototipi di orologi e determinare l'esatta frequenza di transizione e la sua stabilità.

Misure precise sulla frequenza iniziarono subito con il laboratorio di Jun Ye al JILA, effettuando un confronto diretto con un orologio atomico ottico a base dell'arsenio233U. Pubblicato nel settembre 2024 , la frequenza è stata misurata di 2020407384335±2 kHz con una incertezza relativa di 10−12. Questo implica una lunghezza d'onda di 148,3821828827(15) nm e un'energia di 8,355733554021(8) eV. Il lavoro ha anche risolto differenti sottolivelli del momento quadrupolare nucleare e misurato il rapporto tra il momento quadrupolare nucleare dello stato fondamentale e quello eccitato. Miglioramenti seguiranno sicuramente.

Applicazioni

Quando un orologio nucleare ottico sarà operativo potrà essere applicato in vari campi. Oltre alle capacità degli attuali orologi atomici, come la navigazione satellitare o il trasferimento dati, la sua elevata precisione permetterà nuove applicazioni finora inaccessibili con altri orologi atomici, come la geodesia relativistica, la ricerca della materia oscura topologica o la determinazione delle variazioni temporali delle costanti fondamentali. Un orologio nucleare ha il potenziale per essere particolarmente sensibile a possibili variazioni temporali della costante di struttura fine. L'idea centrale è che la bassa energia è dovuta a una fortuita cancellazione tra effetti nucleari forti ed elettromagnetici all'interno del nucleo, i quali, presi singolarmente, sono molto più intensi. Qualsiasi variazione della costante di struttura fine influenzerebbe la componente elettromagnetica di questo equilibrio, risultando in un cambiamento proporzionalmente molto ampio dell'energia totale di transizione. Un cambiamento anche di una parte su 1018 potrebbe essere rilevato mediante confronto con un orologio atomico convenzionale (la cui frequenza verrebbe anch'essa alterata, ma non nella stessa misura), quindi questa misura sarebbe straordinariamente sensibile a qualsiasi potenziale variazione della costante. Misure e analisi recenti indicano fattori di amplificazione dell'ordine di 104.

Note

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