Probing the Linewidth of the 12.4-keV $^{45}$Sc Isomeric Resonance in Solids by Nuclear Forward Scattering

La misurazione del tempo è la base della scienza moderna e della vita quotidiana, dal GPS in un'auto alla sincronizzazione delle reti finanziarie globali. Per decenni, gli orologi più precisi si sono basati sulle vibrazioni degli atomi, specificamente sul modo in cui gli elettroni saltano tra i livelli energetici. Questi orologi atomici sono incredibilmente accurati, ma i fisici si sono a lungo chiesti se si potesse trovare qualcosa di ancora più stabile. Il nucleo di un atomo, il piccolo e denso cuore al suo centro, offre un'alternativa promettente. Poiché il nucleo è schermato dalla nuvola di elettroni circostante, è molto meno sensibile alle perturbazioni esterne come i campi magnetici o le variazioni di temperatura. Se gli scienziati riuscissero a costruire un orologio basato sul nucleo piuttosto che sull'elettrone, questo potrebbe essere molto più stabile e robusto. La sfida consiste nel trovare un nucleo che vibri a una frequenza che possa essere misurata e controllata, e poi capire come mantenere tale vibrazione pura e costante all'interno di un materiale solido, dove gli atomi sono impacchettati strettamente e spesso interferiscono tra loro.

Un team di ricercatori ha recentemente rivolto la propria attenzione a un candidato specifico per questa prossima generazione di misurazione del tempo: il nucleo dello scandio. Questo particolare isotopo dello scandio possiede una proprietà unica per cui il suo nucleo può essere eccitato a uno stato di energia superiore e poi rimanere lì per un tempo sorprendentemente lungo — circa mezzo secondo — prima di tornare al suo stato normale. Nel mondo della fisica quantistica, questa è un'eternità. Quando finalmente torna allo stato fondamentale, rilascia un lampo di energia sotto forma di un fotone a raggi X. Teoricamente, questa transizione dovrebbe essere così netta e precisa da poter servire come il perfetto meccanismo di "ticchettio" per un orologio nucleare. Tuttavia, la teoria è una cosa, la realtà è un'altra. Quando gli atomi sono bloccati all'interno di un cristallo solido, l'ambiente può sfumare questa transizione netta, proprio come cercare di sentire un singolo violino in una stanza affollata. I ricercatori hanno voluto testare se questo nucleo di scandio potesse mantenere la sua perfetta precisione quando inserito in cristalli solidi, o se il materiale circostante avrebbe rovinato il segnale.

Per investigare su questo, il team ha utilizzato una delle macchine a raggi X più potenti al mondo, il European X-Ray Free-Electron Laser, situato in Germania. Hanno sparato impulsi di raggi X incredibilmente brevi e intensi, sintonizzati sull'energia esatta necessaria per eccitare i nuclei di scandio. Hanno posizionato campioni di scandio in diverse forme — metallo puro, un ossido, un nitruro e un cristallo complesso — all'interno di una speciale camera raffreddata a temperature estremamente basse per minimizzare il rumore termico. L'obiettivo era duplice: primo, confermare che i nuclei potessero effettivamente essere eccitati e sopravvivere per quel lungo mezzo secondo all'interno del solido; secondo, vedere se potessero rilevare un tipo specifico di segnale chiamato scattering elastico nucleare (nuclear forward scattering). Questo segnale si verifica quando i nuclei eccitati rilasciano la loro energia in modo coordinato e ondulatorio, che è il segno distintivo di un orologio che funziona perfettamente. Se i nuclei si fossero comportati come un gruppo unificato, il segnale sarebbe durato per un tempo misurabile dopo la fine dell'impulso di raggi X.

L'esperimento ha fornito risultati chiari sul primo fronte. Misurando la luce emessa durante il decadimento dei nuclei eccitati, il team ha confermato che i nuclei di scandio sopravvivevano effettivamente per circa 0,46 secondi all'interno dei materiali solidi. Questa è stata una verifica cruciale, provando che lo stato a lunga durata esiste anche quando gli atomi sono impacettati in un reticolo solido. Hanno anche rilevato un debole segnale ritardato alla specifica energia di 12,4 keV, il che ha confermato che i nuclei stavano rilasciando la loro energia sotto forma di raggi X, un passaggio necessario per qualsiasi futura applicazione di orologio. Dal rapporto tra questo segnale a raggi X e altri tipi di luce emessa dagli atomi, hanno calcolato una costante fisica specifica relativa a come il nucleo interagisce con i propri elettroni, trovandola coerente con le previsioni teoriche.

Tuttavia, quando i ricercatori hanno cercato il segnale coordinato e ondulatorio che indicherebbe un orologio perfettamente nitido che ticchetta all'unisono, non hanno trovato nulla. Nonostante l'alta sensibilità dei loro rilevatori e i lunghi tempi di osservazione, non è apparso alcun segnale statisticamente significativo dopo i primi due millisecondi. In un mondo perfetto, in cui il materiale solido non interferiva, il segnale avrebbe dovuto essere visibile per molto più tempo. L'assenza di questo segnale suggerisce che l'ambiente all'interno dei cristalli solidi stia causando la perdita di sincronizzazione dei nuclei quasi immediatamente. I ricercatori hanno analizzato questo risultato utilizzando simulazioni al computer e hanno concluso che la nitidezza della transizione nucleare viene sfumata di almeno 500 volte rispetto al suo limite naturale. Questa sfumatura è probabilmente causata da minuscole variazioni nei campi magnetici ed elettrici all'interno dei cristalli, che spostano l'energia di ciascun nucleo leggermente in modo diverso, facendo sì che perdano il passo l'uno con l'altro.

Questa scoperta non significa che un orologio nucleare basato sullo scandio sia impossibile, ma stabilisce un confine chiaro per ciò che è attualmente realizzabile. Lo studio dimostra che, sebbene il nucleo dello scandio abbia il potenziale per essere un riferimento incredibilmente stabile, i materiali solidi che utilizziamo attualmente per contenerlo sono troppo "rumorosi" per preservarne tale stabilità. L'effetto di sfumatura è sostanziale, riducendo il potenziale di precisione dell'orologio di ordini di grandezza. I ricercatori suggeriscono che i progressi futuri dipenderanno dal trovare materiali cristallini migliori con meno difetti e dallo sviluppo di nuove tecniche per restringere nuovamente il segnale. Sebbene il sogno di un orologio nucleare sia ancora vivo, questo lavoro fornisce un fondamentale controllo di realtà, mostrando esattamente quanto lavoro rimanga da fare per domare l'ambiente dello stato solido e sbloccare tutto il potenziale del nucleo atomico per misurare il tempo.