I primi orologi nucleari ticchettano a Vienna e Pechino dopo 50 anni di attesa

Un orologio nucleare, capace di contare il tempo con il nucleo di un atomo anziché con i suoi elettroni, ha finalmente iniziato a scandire il tempo. A Vienna, un laser agganciato a nuclei di torio sigillati all’interno di un cristallo ha mantenuto il proprio ritmo per più di un’intera giornata senza alcun intervento, mentre un team di Pechino ha realizzato autonomamente un secondo orologio dello stesso tipo.

Si tratta dei primi orologi nucleari funzionanti, un dispositivo che i fisici inseguono da decenni. Il nucleo è minuscolo e schermato dalla propria nube elettronica, perciò i campi esterni, il calore e le vibrazioni lo raggiungono a malapena. Un orologio basato su di esso potrebbe un giorno mantenere il tempo con maggiore stabilità degli orologi atomici che regolano la navigazione satellitare, internet e la definizione del secondo.

L’orologio di Vienna nasce dal gruppo di Thorsten Schumm della TU Wien e da quello di Ekkehard Peik del PTB, l’istituto nazionale tedesco di metrologia. L’orologio di Pechino è opera di un team della Tsinghua University guidato da Shiqian Ding, in collaborazione con altre 13 istituzioni cinesi. Entrambi gli studi sono apparsi nello stesso numero di Nature e utilizzano il medesimo raro isotopo, il torio-229.

«La realizzazione di un orologio nucleare era qualcosa che i fisici sognavano da quasi 50 anni», ha dichiarato Schumm a Reuters. Il suo stesso team lavora per raggiungere questo obiettivo dal 2008.

Come un cristallo e un laser misurano il tempo

Ogni orologio ha bisogno di qualcosa che oscilli a una frequenza fissa. In un orologio a pendolo è il pendolo. In un orologio atomico è la luce assorbita da un elettrone quando salta tra due livelli energetici, che nei migliori moderni orologi ottici oscilla molto più rapidamente di quanto potrebbe fare qualunque componente meccanico.

Un orologio nucleare trasferisce questo compito nel nucleo. Anche protoni e neutroni hanno livelli energetici, ma quasi tutti si trovano a energie troppo elevate per poter essere raggiunti da un laser. Il torio-229 costituisce l’eccezione: il suo nucleo possiede uno stato eccitato abbastanza basso da poter essere stimolato dalla luce ultravioletta del vuoto, a una lunghezza d’onda di circa 148 nanometri. Raggiungerlo resta comunque difficile. Secondo il PTB, il laser deve corrispondere all’energia della transizione entro un milionesimo di elettronvolt.

Il team di Schumm ha coltivato cristalli di fluoruro di calcio drogati con torio-229, frammenti grandi pochi millimetri che contengono enormi quantità di nuclei a temperatura ambiente. «L’idea di base è semplice: hai un laser e hai il torio», ha spiegato Schumm. I nuclei assorbono luce soltanto a una frequenza precisa. Se il laser deriva, per esempio perché la stanza si riscalda leggermente, il cristallo assorbe meno, un rivelatore registra il calo e un circuito di retroazione riporta il laser alla frequenza corretta. I nuclei diventano il riferimento e la frequenza laser corretta diventa il ticchettio dell’orologio.

Due cambiamenti tecnici hanno reso possibile tutto questo. Il PTB e il Max Born Institute di Berlino hanno costruito un laser compatto a stato solido che emette in modo continuo; il sistema precedente occupava diversi metri quadrati di tavoli ottici e funzionava soltanto a impulsi. I team hanno inoltre smesso di contare il debole bagliore emesso dai nuclei dopo l’eccitazione, la cui lettura richiedeva circa dieci minuti, un tempo troppo lungo per controllare un laser. Misurano invece quanta potenza laser viene assorbita dal cristallo, un segnale sufficientemente rapido da chiudere il circuito di retroazione.

Vienna contro Pechino

L’orologio di Vienna ha funzionato senza supervisione per oltre 24 ore, mentre veniva confrontato con un convenzionale orologio atomico ottico. La sua instabilità frazionaria era di circa 3 × 10⁻¹² su un secondo di media, e quella dispersione si riduceva verso 10⁻¹⁵ nell’arco di una giornata. La TU Wien traduce il dato in un errore di circa un secondo ogni 30 milioni di anni, una cifra misurata durante un funzionamento durato un giorno, non osservata nell’arco di milioni di anni.

L’orologio di Pechino è più stabile su tempi brevi. Secondo i dati riportati da Physics World, la sua instabilità su un secondo è circa sei volte inferiore a quella di Vienna. Il team di Ding ha costruito il proprio laser continuo a 148,4 nanometri, più potente, e ha imparato a far crescere piccoli cristalli partendo da appena 1,4 microgrammi di torio-229, poiché la Cina ha un accesso limitato all’isotopo. Due cristalli coltivati indipendentemente hanno fornito la stessa frequenza di transizione, che coincideva anche con precedenti misurazioni del JILA in Colorado.

Schumm considera i due risultati complementari. I cristalli viennesi contengono una maggiore concentrazione di torio e hanno proprietà ottiche migliori, ha dichiarato a Reuters, mentre il team di Pechino dispone del laser più potente. «Quindi, già mettendo insieme questi componenti, possiamo costruire un orologio significativamente migliore», ha affermato.

«I due team hanno lavorato indipendentemente e hanno raggiunto contemporaneamente orologi nucleari al torio-229 operativi, usando approcci sperimentali diversi», ha dichiarato Ding a Reuters, aggiungendo che questo dimostra come «il concetto sia robusto».

Ciò che questi orologi non fanno ancora

Nessuno dei due orologi supera gli orologi atomici rispetto ai quali è stato misurato. «Non siamo ancora al livello dei migliori orologi atomici ottici del mondo», ha detto Schumm. Peik lo ha espresso in modo più diretto nell’annuncio del PTB: la stabilità «non stabilisce ancora alcun record mondiale».

La lacuna maggiore riguarda la nitidezza della risonanza. «Abbiamo ora osservato una larghezza di riga di 30 kHz, ma la larghezza naturale dovrebbe essere ben al di sotto di 1 Hz», ha detto Peik a Physics World. Una risonanza sfocata implica un ticchettio sfocato. Anche il cristallo stesso è parte dell’enigma: il torio occupa diversi siti nel reticolo del fluoruro di calcio, e i team stanno ancora cercando di capire in che modo ciò modelli la risonanza. Ding ha affermato che i cristalli ospiti di fluoruro di calcio limitano le prestazioni e che sono necessari materiali ospiti migliori.

Entrambe le macchine sono inoltre prototipi da laboratorio. Dipendono da orologi di riferimento per il confronto, da laser ultravioletti realizzati su misura e da un isotopo difficile da ottenere. Un dispositivo robusto che possa essere trasportato da una nave, un satellite o un centro dati resta ancora lontano lungo un percorso ingegneristico.

Perché i fisici vogliono un orologio migliore

Gli orologi determinano già più aspetti della vita quotidiana di quanto la maggior parte delle persone si renda conto. La navigazione satellitare calcola la posizione a partire da minuscole differenze nei tempi dei segnali. Le reti di dati sono sincronizzate con il tempo atomico. Topografi e geofisici sfruttano il fatto che gli orologi scandiscono il tempo a velocità diverse a quote diverse nel campo gravitazionale terrestre.

Un orologio nucleare aggiunge due elementi. Primo, un progetto a stato solido, privo di atomi o ioni intrappolati e mantenuti in una camera a vuoto, potrebbe alla fine rendere la misurazione precisa del tempo più compatta e resistente. Secondo, la transizione del torio dipende dalle forze all’interno del nucleo, quindi dovrebbe reagire molto più intensamente delle transizioni atomiche se una costante della natura variasse o se una qualche forma di materia oscura esercitasse un’azione sulla materia ordinaria. Il team di Vienna ha già eseguito questo test con il proprio prototipo. Non ha rilevato alcun segnale di materia oscura, ma i suoi limiti sull’accoppiamento della materia oscura con la luce e con la forza forte sono già paragonabili a quelli fissati dai migliori orologi atomici.

Victor Flambaum della University of New South Wales, che non ha partecipato al lavoro, ha definito questi dispositivi i «primi prototipi di orologi nucleari». Il giudizio di Schumm era più ampio: «Dà accesso a un universo completamente nuovo della fisica».

Domande comuni sull’orologio nucleare

Che cos’è un orologio nucleare?

Un orologio nucleare misura il tempo utilizzando una transizione all’interno di un nucleo atomico anziché un salto tra livelli energetici elettronici. Un laser viene sintonizzato sulla frequenza esatta assorbita dal nucleo, e quella frequenza diventa il ticchettio dell’orologio. Il torio-229 è l’unico nucleo noto con una transizione sufficientemente bassa in energia da poter essere raggiunta con un laser.

Un orologio nucleare è radioattivo o pericoloso?

Non ha nulla a che fare con la fissione o la fusione e non produce energia nucleare. Il torio-229 è un isotopo radioattivo, ma gli orologi ne impiegano quantità minuscole, intrappolate all’interno di un cristallo, e il laser si limita a spingere il nucleo in uno stato energetico leggermente più elevato.

Un orologio nucleare è più accurato di un orologio atomico?

Non ancora. I prototipi di Vienna e Pechino sono meno stabili dei migliori orologi atomici ottici. L’aspettativa è che il nucleo, essendo molto più piccolo e meglio schermato del guscio elettronico, consenta infine prestazioni migliori una volta migliorati laser e cristalli.

Per che cosa potrebbero essere usati gli orologi nucleari?

I ricercatori citano la navigazione satellitare, la sincronizzazione delle reti, la topografia e la fisica fondamentale. Poiché la transizione del torio è altamente sensibile alle forze all’interno del nucleo, questi orologi sono anche strumenti per cercare la materia oscura e i cambiamenti nelle costanti della natura.

Laser più potenti, cristalli migliori, singoli ioni

Il nucleo di torio è stato eccitato per la prima volta con un laser nell’aprile 2024 dai team di Schumm e Peik, decenni dopo che Peik aveva proposto il principio dell’orologio nucleare nel 2003. Quell’autunno l’apparato è stato collegato a un convenzionale orologio atomico ottico. L’orologio auto-stabilizzante di Vienna è descritto in un articolo su Nature pubblicato il 7 ottobre 2026, accanto allo studio di Tsinghua nello stesso numero e a uno studio complementare di PTB e TU Wien sull’assorbimento con laser continuo da parte del nucleo di torio, pubblicato su Nature a settembre.

I prossimi passi sono concreti. Il gruppo di Peik prevede di aumentare la potenza del laser, migliorare il rapporto segnale-rumore del rivelatore e mappare il modo in cui il torio si colloca nel cristallo, per individuare ciò che sfoca la risonanza. Il team di Ding sta cercando cristalli ospiti migliori del fluoruro di calcio ed è interessato a un orologio basato su singoli ioni di torio intrappolati, che Ding ha definito «tecnicamente molto più difficile», ma forse la strada verso la massima accuratezza.

Riferimenti: Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Tag: fisica, orologio atomico, orologio nucleare, PTB, thorium-229, Tsinghua University