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
dell'ordine di .
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 l'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 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 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 , 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 , 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 , 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 . Nei cationi del torio la conversione interna è energeticamente proibita e, di conseguenza, 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 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 nuclei per ), 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 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):
, uno stato nucleare eccitato metastabile dell'isotopo torio-229 con un'energia di eccitazione di circa 8 eV, e , uno stato eccitato metastabile dell'uranio-235 con un'energia di 76,7 eV.
Tuttavia, l'isomero ha un tempo di dimezzamento radiativo straordinariamente lungo (dell'ordine di , 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 come una realistica possibilità di eccitazione nucleare diretta tramite laser.
Ulteriori requisiti per lo sviluppo di un orologio nucleare sono che:
lil tempo di vita dello stato nucleare eccitato sia relativamente lungo, portando così a una risonanza a banda stretta (un elevato fattore di qualità), e il nucleo nello stato fondamentale sia facilmente disponibile e sufficientemente stabile da permettere di lavorare con quantità moderate di materiale.
Fortunatamente, dato che il + ha un tempo di dimezzamento radiativo (tempo di decadere in ) di circa , e il ha un tempo di dimezzamento (tempo di decadere in ) di anni, entrambe le condizioni sono soddisfatte per il , 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 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 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 che 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 come mezzo di emissione per generare laser ultravioletto.