Preparare il terreno per gli orologi nucleari ad alte prestazioni del futuro
Dalla navigazione satellitare alle comunicazioni sincronizzate, la misurazione precisa del tempo è alla base di gran parte della tecnologia moderna. All’avanguardia in questo campo c’è il torio-229 (229Th), un isotopo raro con uno stato nucleare a energia insolitamente bassa che può essere attivato dalla luce laser a circa 148 nanometri. Incorporare questo isotopo in un cristallo trasparente come il fluoruro di calcio potrebbe un giorno portare alla realizzazione di orologi nucleari a stato solido compatti e di straordinaria precisione. Tuttavia, rimane un ostacolo cruciale: gli atomi circostanti nel cristallo alterano i livelli di energia nucleare. Fino ad ora, non era ben chiaro in che modo esattamente questo ambiente influenzasse la transizione nucleare. La ricerca, sostenuta dai progetti finanziati dall’UE ThoriumNuclearClock(si apre in una nuova finestra) e CC4DYN, affronta questa incertezza fornendo dati fondamentali per la progettazione della prossima generazione di dispositivi di misurazione del tempo.
Identificazione di quattro siti cristallini distinti
I ricercatori provenienti da Austria, Giappone e Svizzera hanno studiato il 229Th incorporato in cristalli di fluoruro di calcio. Utilizzando un laser a ultravioletti nel vuoto, il team ha eseguito la spettroscopia laser di Mössbauer, estendendo allo spettro ottico una tecnica tradizionalmente impiegata per sondare gli ambienti fisici e chimici dei nuclei. Un rivelatore su misura ha soppresso la radiazione di fondo, consentendo di misurare con elevata precisione i deboli segnali nucleari. Pubblicate su «Science», le conclusioni(si apre in una nuova finestra) mostrano che il 229Th occupa quattro siti microscopici distinti all’interno del reticolo cristallino, ciascuno dei quali è sottoposto a un diverso campo elettrico locale. Combinando la spettroscopia con i calcoli della teoria funzionale della densità, il team ha assegnato modelli microscopici ai due siti dominanti, che insieme rappresentavano oltre il 90 % del segnale a ultravioletti nel vuoto rilevato. «Analizzando gli spettri nucleari sito per sito, abbiamo individuato un metodo per studiare come gli atomi di 229Th si incorporano in un solido e in che modo l’ambiente circostante influisca sulla transizione nucleare», afferma l’autore principale dello studio Takahiro Hiraki, assistente presso l’Università di Okayama, in Giappone, in un articolo(si apre in una nuova finestra) pubblicato sul sito web dell’università. «Queste informazioni sono essenziali per comprendere e progettare gli ambienti cristallini necessari per i futuri orologi nucleari allo stato solido».
Progettazione di cristalli per prestazioni migliori
Oltre a identificare i siti, il team ha utilizzato l’eccitazione selettiva per sito per confrontare il comportamento dello stato nucleare in ciascun ambiente. La durata radiativa dello stato eccitato si è rivelata costante a circa 630 secondi in tutti i siti, ma l’efficienza con cui la luce laser ha spento questo stato variava notevolmente da un sito all’altro. Questa variazione è importante perché determina la capacità di un cristallo di preservare l’eccitazione nucleare che alimenta l’orologio. «La forte variazione nello spegnimento tra i diversi siti dimostra che l’ambiente cristallino locale non è semplicemente un ospite passivo», osserva l’autore senior Koji Yoshimura, professore presso l’Università di Okayama. «Identificare quali strutture preservano l’eccitazione nucleare e quali ne favoriscono la perdita ci aiuterà a determinare come preparare cristalli con prestazioni migliorate». Lo studio, sostenuto dai progetti ThoriumNuclearClock (Thorium nuclear clocks for fundamental tests of physics) e CC4DYN (A quantum chemical approach to dynamic properties of real materials), stabilisce la spettroscopia laser Mössbauer come metodo affidabile per rivelare gli ambienti microscopici del torio nei solidi. In tal modo, fornisce le basi per la realizzazione di orologi compatti in grado di far progredire la navigazione, la comunicazione sincronizzata e nuove forme di misurazione di precisione. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto ThoriumNuclearClock(si apre in una nuova finestra) progetto CC4DYN
