L’anno scorso, una squadra guidata dall’UCLA realizzato qualcosa gli scienziati cercano di farlo da 50 anni. Hanno fatto sì che i nuclei radioattivi di torio assorbissero ed emettessero fotoni come fanno gli elettroni in un atomo. Questo risultato è stato la realizzazione di un sogno proposto per la prima volta nel 2008 e si prevede che inaugurerà una nuova era di cronometraggio ad alta precisione, con un impatto drammatico sulla navigazione. Potrebbe anche portare a nuove scoperte scientifiche che riscrivono alcune delle costanti fondamentali della natura.
L’immagine mostra un laser (freccia viola) che illumina il torio elettrodepositato (arancione) e gli elettroni (frecce gialle) che colpiscono un rilevatore (la faccia anteriore del rilevatore è fatta per assomigliare ad un orologio come libertà artistica). Credito immagine: Richard Elwell e Christian Schneider
Ma c’è un problema. L’isotopo del torio di cui hanno bisogno, il torio-229, può essere trovato solo nell’uranio per armi. Pertanto, si stima che attualmente in tutto il mondo siano disponibili solo circa 40 grammi per l’uso negli orologi nucleari.
Ora, però, un team internazionale di ricercatori guidati dal fisico dell’UCLA Eric Hudson ha trovato il modo di utilizzare solo una frazione del torio per ottenere gli stessi risultati del loro precedente lavoro con cristalli specializzati. Il metodo sviluppato dal team e descritto in Natura, è così semplice ed economico che potrebbe aprire la strada a rendere gli orologi nucleari così economici e piccoli che un giorno potrebbero essere nei nostri telefoni o addirittura negli orologi da polso, oltre a sostituire gli orologi nelle nostre reti elettriche, nei ripetitori dei cellulari e nei satelliti GPS. Potrebbero anche essere utilizzati per la navigazione in ambienti privi di GPS, come lo spazio profondo o i sottomarini.
Un semplice processo migliora ciò che originariamente richiedeva 15 anni per capire
Il gruppo di Hudson ha trascorso 15 anni lavorando per realizzare i cristalli specializzati di fluoruro drogato con torio che hanno permesso la loro svolta l’anno scorso. Facendo sì che gli elettroni degli atomi di torio-229 si legassero al fluoro in una disposizione speciale, il team di Hudson, nei loro esperimenti iniziali, è stato in grado di creare cristalli che stabilizzano il torio-229 pur rimanendo trasparenti alla luce laser necessaria per eccitare il nucleo. Hanno scoperto che i cristalli, tuttavia, erano difficili da coltivare e richiedevano molto torio.
« Abbiamo fatto tutto il lavoro per creare i cristalli perché pensavamo che il cristallo dovesse essere trasparente affinché la luce laser raggiungesse i nuclei di torio. I cristalli sono davvero difficili da fabbricare. Ci vuole un’eternità e la quantità più piccola di torio che possiamo usare è 1 milligrammo, che è molto quando ci sono solo 40 grammi circa disponibili », ha detto il primo autore e ricercatore post-dottorato dell’UCLA Ricky Elwell, che ha ricevuto il Premio Deborah Jin 2025 per l’eccezionale ricerca di tesi di dottorato in fisica atomica, molecolare o ottica per la svolta dell’anno scorso.
Nel nuovo lavoro, il gruppo di Hudson ha galvanizzato una piccola quantità di torio su acciaio inossidabile modificando leggermente un metodo utilizzato per galvanizzare i gioielli. La galvanica, inventata agli inizi del 1800, invia una corrente elettrica attraverso una soluzione elettricamente conduttiva per depositare un sottile strato di atomi da un metallo su un altro. In gioielleria, ad esempio, l’argento o l’oro vengono placcati galvanicamente su una base metallica meno preziosa.
« Ci sono voluti cinque anni per capire come far crescere i cristalli di fluoro e ora abbiamo capito come ottenere gli stessi risultati con una delle tecniche industriali più antiche e utilizzando 1.000 volte meno torio. Inoltre, il prodotto finito è essenzialmente un piccolo pezzo di acciaio e molto più resistente dei fragili cristalli », ha affermato Hudson.
La chiave per far funzionare questo nuovo sistema è stata la consapevolezza che un presupposto fondamentale era sbagliato. Stimolare sufficientemente il nucleo con un laser, o eccitarlo, per osservare la sua transizione verso uno stato energetico più elevato, era più facile di quanto si pensasse
« Tutti hanno sempre pensato che per eccitare e poi osservare la transizione nucleare, il torio dovesse essere incorporato in un materiale trasparente alla luce utilizzata per eccitare il nucleo. In questo lavoro, abbiamo dimostrato che semplicemente non è vero », ha detto Hudson. “Possiamo ancora forzare abbastanza luce in questi materiali opachi per eccitare i nuclei vicino alla superficie, e poi, invece di emettere fotoni come fanno in materiale trasparente come i cristalli, emettono elettroni che possono essere rilevati semplicemente monitorando una corrente elettrica – che è praticamente la cosa più semplice che puoi fare in laboratorio!”
Gli orologi nucleari basati sul torio potrebbero sbloccare la navigazione senza satellite
Oltre al loro impatto atteso su tutto, dalla tecnologia delle comunicazioni, alla sincronizzazione della rete elettrica e alle reti radar, gli orologi di prossima generazione sono stati a lungo ricercati come soluzione a un problema con un significativo impatto sulla sicurezza nazionale: la navigazione senza GPS. Se un cattivo attore, o anche una tempesta elettromagnetica, disabilitasse un numero sufficiente di satelliti, tutti i nostri dispositivi di navigazione GPS fallirebbero. Allo stesso modo, i sottomarini che si immergono nelle profondità dell’oceano, dove i segnali satellitari non possono arrivare, utilizzano già orologi atomici per la navigazione, ma gli orologi attuali non sono sufficientemente precisi e dopo alcune settimane i sottomarini devono emergere per verificare la loro posizione. In questi ambienti impegnativi, l’orologio nucleare, che è meglio protetto dal suo ambiente, eccelle rispetto agli attuali orologi atomici.
“L’approccio del team dell’UCLA potrebbe aiutare a ridurre i costi e la complessità dei futuri orologi nucleari basati sul torio », ha affermato Makan Mohageg, responsabile degli orologi ottici presso Boeing Technology Innovation. « Innovazioni come queste potrebbero contribuire a un cronometraggio più compatto e ad alta stabilità, rilevante per diverse applicazioni aerospaziali. »
E, se mai i terrestri volessero viaggiare nello spazio, avrebbero bisogno di orologi ancora più migliorati per lo stesso motivo.
« Il gruppo dell’UCLA guidato da Eric Hudson ha svolto un lavoro straordinario nel trovare un modo praticabile per sondare la transizione nucleare nel torio – un lavoro che si estende su più di un decennio. Questo lavoro apre la strada a un orologio al torio praticabile », ha affermato Eric Burt, che guida il progetto dell’orologio atomico ad alte prestazioni presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA e non è stato coinvolto nella ricerca. « Secondo me, gli orologi nucleari al torio potrebbero anche rivoluzionare le misurazioni fisiche fondamentali che possono essere eseguite con gli orologi, come i test della teoria della relatività di Einstein. A causa della loro intrinseca bassa sensibilità alle perturbazioni ambientali, i futuri orologi al torio potrebbero anche essere utili per impostare una scala temporale a livello di sistema solare essenziale per stabilire una presenza umana permanente su altri pianeti. »
La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e ha coinvolto fisici dell’Università di Manchester, dell’Università del Nevada Reno, del Los Alamos National Laboratory, di Ziegler Analytics, della Johannes Gutenberg-Universität di Magonza e della Ludwig-Maximilians-Universität München.
Fonte: UCLA
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