Rivalutare Tempo e Spazio – Come il Torio è Destinato a Svolgere un Ruolo

Il concetto di tempo e spazio ha sempre divertito gli scienziati. Tutto ciò che vediamo intorno a noi funziona all’interno di un quadro temporale e spaziale. Albert Einstein ha detto famosamente, “Un essere umano è una parte del tutto, chiamato da noi \”Universo\”, una parte limitata nel tempo e nello spazio.” 

Tuttavia, le nostre valutazioni di tempo e spazio hanno continuato a evolversi con i progressi raggiunti nella scienza e nella nostra comprensione filosofica di essa. 

Una delle ultime aggiunte a questo flusso evolutivo, qualcosa che potrebbe cambiare le regole del gioco o essere rivoluzionario, proviene dai contributi di una ricerca guidata dal Prof. Thorsten Schumm della TU Wien (Vienna). Si prevede che questa ricerca possa aprire la strada a tecnologie ad altissima precisione, inclusi orologi nucleari. 

Nucleo atomico eccitato con laser: Il caso curioso della transizione del torio

La comunità scientifica da tempo cerca di raggiungere uno stato molto specifico dei nuclei atomici di torio che aiuterebbe a costruire orologi nucleari più preveggenti nella loro misurazione del tempo rispetto ai migliori orologi atomici attualmente disponibili. 

A un livello più ampio, tali misurazioni minuziose del tempo aiuterebbero a rivalutare le proposizioni fondamentali della fisica teorica, inclusa la questione delle costanti della natura: queste costanti sono sacre o cambiano nello spazio e nel tempo? 

Misurare il tempo con tale precisione avrebbe richiesto la conoscenza dell’energia esatta per eccitare il torio al punto della sua transizione atomica. Grazie alla ricerca di cui stiamo parlando, quell’energia è ora nota con precisione. Pertanto, per la prima volta, è possibile trasferire un nucleo atomico in uno stato energetico più alto tramite un laser e poi tracciare il suo ritorno allo stato originale. 

Questo fenomeno è anche un risultato pionieristico in quanto è la prima volta che due aree distinte della fisica — la fisica quantistica e la fisica nucleare — possono essere combinate in una sola. La ricerca ha richiesto lo sviluppo di cristalli speciali contenenti torio. 

Dagli anni ’70, gli scienziati sono consapevoli della possibilità di un nucleo atomico speciale che potrebbe essere manipolato con un laser. Tuttavia, ottenere il successo richiede la conoscenza dell’energia della transizione con estrema precisione. Secondo il Prof. Thorsten Schumm:

“Conoscere l’energia di questa transizione entro un electronvolt è di poco utile se devi colpire l’energia giusta con una precisione di un milionesimo di electronvolt per rilevare la transizione.” 

Per avere successo in questa missione, che sembrava quasi impossibile all’epoca, il team ha sviluppato cristalli contenenti un gran numero di atomi di torio. 

Fabian Schaden, il ricercatore responsabile della progettazione di questi cristalli a Vienna, ha dichiarato quanto segue per spiegare le complessità coinvolte:

 “Sebbene ciò sia tecnicamente piuttosto complesso, ha il vantaggio che possiamo non solo studiare singoli nuclei di torio in questo modo, ma colpire simultaneamente circa dieci alla potenza diciassette nuclei di torio con il laser – circa un milione di volte più di quante stelle ci siano nella nostra galassia.” 

La presenza di un gran numero di nuclei di torio ha amplificato l’effetto, riducendo il tempo di misurazione necessario e aumentando la probabilità di trovare effettivamente la transizione energetica. 

Quanto importante è stata questa scoperta? Secondo Thorsten Schumm:

“Per noi, questo è un sogno che si avvera.” Ha poi aggiunto, “Siamo lieti di essere ora noi a poter presentare la scoperta cruciale: la prima eccitazione laser mirata di un nucleo atomico.” 

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L’impatto del successo sui concetti di tempo e spazio

Il successo ottenuto in questa ricerca porterà a strumenti di precisione più sofisticati. Gli orologi utilizzeranno l’oscillazione della luce che attiva la transizione del torio per trasformarsi in nuove varianti che potrebbero essere più precise dei migliori orologi atomici disponibili oggi. 

Il fenomeno potrebbe anche aiutare ad analizzare i campi gravitazionali della Terra con maggiore precisione, il che potrebbe aiutare a localizzare risorse minerarie e indicare l’imminenza di terremoti con precisione aumentata. 

I ricercatori non sono ancora sicuri dell’intero spettro delle possibilità di applicazione, ma sono certi che il potenziale potrebbe essere illimitato. Nelle parole di Thorsten Schumm:

“Il nostro metodo di misurazione è solo l’inizio. Non possiamo ancora prevedere quali risultati otterremo con esso. Sarà sicuramente molto entusiasmante.”

Questa ricerca potrebbe beneficiare notevolmente le aziende che sviluppano orologi di precisione sofisticati. Di seguito sono riportate un paio di tali aziende. 

#1. Microsemi

Microsemi è conosciuta a livello globale per le sue capacità nel campo degli orologi atomici. Si tratta di orologi il cui oscillatore elettrico è regolato dalle frequenze di vibrazione naturali di un sistema atomico, che può essere un fascio di atomi di cesio, atomi di ammoniaca o rubidio. 

Gli orologi atomici di Microsemi sono noti per offrire più del 90% dell’input al Tempo Coordinato Universale (UTC). È anche l’unico fornitore commerciale al mondo di orologi a tubo a fascio di cesio, che si trovano nei laboratori nazionali di tutto il mondo.

L’azienda si posiziona come il principale fornitore di orologi atomici a cella di gas, inclusi il Chip Scale Atomic Clock (CSAC), l’orologio atomico più piccolo e a più basso consumo al mondo, e il Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi afferma che i suoi orologi atomici al cesio sono particolarmente utili nelle comunicazioni. Questi orologi possono supportare in modo molto efficiente la tecnologia GNSS/GPS per applicazioni di frequenza, tempo e fase. 

Il cesio opera con una deviazione dall’UTC con precisione di 1×10-12. Questo rende un orologio al cesio capace di supportare GNSS/GPS senza degradare le prestazioni per le applicazioni di frequenza. Consente la modalità holdover per le applicazioni di tempo e fase. 

Tuttavia, con il successo della ricerca sulla ‘transizione del torio’, Microsemi ora dispone delle risorse per sviluppare un orologio più preciso e finemente sintonizzato. 

In generale, Microsemi Corporation è una filiale interamente controllata da Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). Nell’anno fiscale 2023, Microchip ha registrato vendite nette di oltre 8,4 miliardi di dollari USA. Nell’FY 2023, l’azienda ha restituito 1,64 miliardi di dollari ai suoi azionisti rispetto a 0,9 miliardi restituiti nel 2022 fiscale.

#2. General Atomics

In ottobre 2021, General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) ha dichiarato di aver completato la missione Deep Space Atomic mission della NASA Jet Propulsion Laboratory. Secondo il presidente di GA-EMS, Scott Forney:

“Il successo della missione DSAC a bordo dell’OTB apre la strada a futuri sforzi per avanzare tecnologie spaziali critiche e metterle in orbita con progetti di satelliti affidabili e robusti.”

Il DSAC era un orologio atomico a ioni di mercurio miniaturizzato e superpreciso. Secondo la valutazione di General Atomics, ha dimostrato una stabilità temporale significativamente migliorata rispetto ad altri orologi atomici in funzione sui satelliti GPS. Poteva misurare il tempo in modo costante per lunghi periodi e supportare la navigazione e l’esplorazione nello spazio profondo. 

È comprensibile che General Atomics sia un’azienda che trarrebbe notevoli benefici dalla ricerca sulla ‘Transizione del Torio’. 

Nel suo nucleo, General Atomics è una società di difesa e tecnologie diversificate. Nel 2023, l’azienda ha registrato un fatturato di US$3.1 billion. 

Mentre l’orologio nucleare riguarda il cammino verso una maggiore precisione, gli scienziati hanno continuato a sviluppare soluzioni che hanno dato vita a una nuova generazione di orologi atomici. In un esperimento presso il laser a raggi X European XFEL, i ricercatori hanno sfruttato l’elemento Scandio. 

Un orologio atomico altamente preciso: Sfruttare lo scandio per standard di accuratezza estremamente elevati

I ricercatori hanno sfruttato lo scandio per raggiungere un’accuratezza di un secondo in 300 miliardi di anni, che è mille volte più precisa degli attuali standard degli orologi atomici basati sul cesio.

Proprio come la transizione del torio di cui abbiamo discusso all’inizio, i ricercatori del European XFEL hanno potuto eccitare una promettente transizione nel nucleo dello scandio. Lo scandio è facilmente disponibile come foglio metallico ad alta purezza o come composto di biossido di scandio. L’energia necessaria per eccitarlo con precisione a tale scopo richiedeva raggi X con un’energia di 12,4 kilo electronvolt (keV), circa 10.000 volte l’energia della luce visibile. 

Ha una larghezza di soli 1,4 femto-electronvolt (eV) e 1,4 quadrilionesimi di un electronvolt, che corrisponde a circa un decimo di un trilionesimo dell’energia di eccitazione (10‑19). Ha permesso di raggiungere un’accuratezza di 1:10.000.000.000.000, equivalente a un secondo in 300 miliardi di anni.

Nel spiegare i potenziali benefici di questa ricerca e del suo successo, i ricercatori hanno potuto evidenziare molti aspetti. Ad esempio, gli orologi atomici con precisione migliorata potrebbero aiutare i satelliti a essere posizionati più precisamente. I ricercatori hanno anche sottolineato il potenziale dell’orologio atomico come apri‑strade per gli orologi nucleari del futuro. 

Secondo il responsabile del progetto sperimentale, Yuri Shvyd’ko dell’Argonne National Laboratory negli Stati Uniti:

“La scoperta nell’eccitazione risonante dello scandio e la misurazione precisa della sua energia aprono nuove strade non solo per gli orologi nucleari ma anche per la spettroscopia ultraprecisa e la misurazione precisa di effetti fisici fondamentali.”

Approfondendo il potenziale di questa ricerca, Olga Kocharovskaya della Texas A&M University negli USA, ideatrice e leader del progetto, ha dichiarato quanto segue:

“Ad esempio, una tale alta accuratezza potrebbe consentire di sondare la dilatazione temporale gravitazionale a distanze sub‑millimetriche. Questo permetterebbe lo studio di effetti relativistici su scale di lunghezza finora inaccessibili.”

In sintesi, questa innovazione, proprio come quella letta sulla transizione del torio, ha avuto diversi benefici. A un livello, questi benefici significano l’applicazione diretta del fenomeno per ideare nuove soluzioni. A un altro livello, i benefici si manifestano sotto forma di nuovi orizzonti aperti. Nell’ambito della fisica teorica, questi nuovi percorsi porterebbero a soluzioni più efficienti. 

L’orologio di precisione che ha sfruttato lo stronzio

Abbiamo già esaminato come il Torio e lo scandio siano stati utilizzati per rivalutare il tempo e lo spazio nella più piccola misura possibile. Nel 2022, i ricercatori hanno esplorato il potenziale dello stronzio in questo ambito. 

La ricerca ha coinvolto un gruppo di scienziati statunitensi. Hanno affermato di aver costruito un dispositivo 50 volte più preciso dei suoi omologhi a orologio atomico. 

Secondo Jun Ye, affiliato al National Institute of Standards and Technology (NIST) e all’Università del Colorado Boulder, oltre alle sue caratteristiche di precisione, l’orologio potrebbe introdurre scoperte nella meccanica quantistica e paradigmi che guidano la dinamica del mondo subatomico. 

La soluzione ha esplorato con successo le reti di luce, note come reticoli ottici. Questi reticoli possono intrappolare gli atomi in modo ordinato e impedire che gli atomi cadano a causa della gravità o si muovano, causando perdita di precisione. L’orologio di precisione comprendeva 100.000 atomi di stronzio. Ognuno è stratificato sull’altro in modo simile a una frittella, formando un’altezza di circa 1 millimetro. 

Spiegando le affascinanti caratteristiche dell’orologio, Ye ha detto: 

“Spazio e tempo sono collegati. E con una misurazione del tempo così precisa, si può vedere come lo spazio cambia in tempo reale—la Terra è un organismo vivente e dinamico.”

Come gli altri orologi di cui abbiamo discusso finora, Ye era entusiasta del potenziale di questo orologio di inaugurare una nuova era della fisica. L’orologio poteva rilevare differenze temporali su 200 micron. Ridotto a 20 micron, poteva esaminare più efficacemente la dinamica interna del mondo quantistico. 

Rivalutare tempo e spazio con torio e altro: parole conclusive

Oltre ad aprire nuove dimensioni sulla natura temporale e spaziale del nostro universo, questi orologi di super precisione servono a molti, molti scopi, inclusi il miglioramento dei nostri sistemi di telecomunicazione e navigazione. 

Secondo Andrew Ludlow, fisico del National Institute of Standards and Technology a Boulder, Colorado:

“Ci sono molte applicazioni [per gli orologi] che richiedono solo una buona stabilità, e poi c’è una gamma di applicazioni in cui la sola stabilità non è sufficiente, e serve anche l’accuratezza.”

Questi dispositivi super‑sensibili possono rilevare ogni minima ondulazione attraverso lo spazio‑tempo. Possono rilevare onde gravitazionali a frequenze quasi inaccessibili alle nostre soluzioni convenzionali. Un dispositivo di misurazione spazio‑temporale ad alte prestazioni può percepire i più piccoli cambiamenti gravitazionali che avvengono in profondità sotterranea per indicare condizioni di segnale precursori di un terremoto o di un’eruzione vulcanica. 

In sintesi, le possibilità sono illimitate, e gli scienziati potrebbero scoprire altri elementi come torio, scandio e stronzio nei prossimi giorni che rivoluzioneranno il modo in cui vediamo lo spazio e il tempo. 

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