L’orologio atomico al Lutezio-176 è da record. Ma quello al Torio-229 lo insegue

«Aspetta un secondo», «Arrivo fra un secondo». Lo diciamo tutti, anche quando sappiamo benissimo che ci servirà un po’ più di tempo. Nel linguaggio quotidiano il secondo di tempo è diventato sinonimo di un intervallo brevissimo. Nella scienza, invece, è una misura da definire e riprodurre con il massimo rigore possibile. È l’ultima tappa di una storia cominciata osservando l’alternarsi del giorno e della notte e il movimento degli astri: la ricerca di un ritmo regolare con cui ordinare la nostra vita.

Oggi questa ricerca passa anche per un elemento chimico poco familiare, il Lutezio. Alcuni suoi isotopi, forme diverse in cui l’atomo dell’elemento si presenta, sono impiegati in medicina nucleare; un altro, invece, il lutezio-176, è al centro del nuovo orologio ottico sviluppato al Centre for Quantum Technologies della National University of Singapore. Questo nuovo orologio atomico da record ha riportato un’incertezza relativa di circa 1,2 parti su dieci miliardi di miliardi: per capirci, ammesso che noi si riesca ad immaginare, equivale a uno scarto di appena un secondo in circa 260 miliardi di anni. Si capisce che non è una durata di funzionamento verificata, ma un modo di tradurre una valutazione dell’incertezza in un modo più visualizzabile. Attualmente è il meglio del meglio, anzi gli autori un po’ esagerando, sostengono che non si potrà fare di meglio. Vedremo.

Dal pendolo al laser

Per capire il funzionamento possiamo partire dal pendolo. Un orologio ha bisogno di un fenomeno che si ripeta con grande regolarità e di un sistema che ne conti le ripetizioni. Crescendo in precisione, nel pendolo si contano le oscillazioni meccaniche, al meglio possibile sempre eguali; negli orologi meccanici, anche molto costosi si utilizza il movimento armonico di un bilanciere, in quelli al quarzo, anche da qualche decina di euro, si utilizzano le frequenze del quarzo stesso. Nel nuovo strumento di Singapore si utilizza la luce di un laser, il cui ritmo viene continuamente controllato grazie alle proprietà di un singolo atomo.

Più precisamente, si tratta di uno ione: si usa cioè un atomo di Lutezio al quale è stato sottratto un elettrone nella parte esterna e che, così facendo, acquista una carica positiva. Utilizzando campi elettrici si tiene sospeso in una trappola elettromagnetica, senza contatto con una superficie. Attorno a questo protagonista microscopico lavorano laser e apparati di controllo: abbiamo già capito che siamo di fronte a uno strumento da laboratorio, non a un meccanismo da mettere al polso.

La soluzione: l’atomo come una specie di diapason

Gli elettroni di un atomo possono occupare soltanto determinati livelli di energia, come gli scalini di una lunga scala. Per passare dall’uno all’altro devono assorbire la quantità di energia giusta, che corrisponde a una precisa frequenza della luce. I ricercatori regolano il laser sulla transizione scelta e usano la risposta dello ione per correggerlo, ecco la soluzione: l’atomo si trasforma in una specie di diapason con cui accordare lo strumento. Sono le oscillazioni della luce, non gli spostamenti dell’atomo, a scandire il tempo! Nel caso del Lutezio la luce utilizzata si trova nel vicino infrarosso, a circa 848 nanometri di lunghezza d’onda. Sembra complesso, ma concettualmente non lo è: isoliamo un elettrone dal suo atomo, l’atomo diventa positivo e non più neutro. Poi lo rinchiudiamo in una gabbia particolare, illuminiamo con luce laser e vediamo che frequenza deve essere usata per far vibrare l’elettrone che si sposta da un livello di energia a un altro.