In due diversi laboratori, uno a Vienna e uno a Pechino, dei ricercatori hanno dato vita ai primi orologi nucleari funzionanti al mondo. Non troverete lancette, ingranaggi o quadranti in questi dispositivi: al loro interno ci sono invece cristalli con torio-229, un raggio laser e un sistema progettato per mantenere stabile la frequenza luminosa. I risultati, pubblicati il 7 ottobre 2026 su Nature in due studi distinti, potrebbero segnare l’avvio di una nuova epoca per gli strumenti di misurazione temporale.
La portata di questa scoperta è impressionante: si parla di orologi capaci di sbagliare di appena un secondo nell’arco di miliardi di anni. Attualmente, però, questo traguardo è ancora lontano. I modelli sperimentali sono operativi, ma gli orologi atomici di ultima generazione mantengono tuttora prestazioni superiori. In sostanza, questa tecnologia del futuro è approdata nei laboratori scientifici, dove ha già incontrato una concorrenza più performante.
Il meccanismo degli orologi nucleari
Per comprendere l’importanza di questa invenzione, occorre innanzitutto conoscere gli orologi atomici, ovvero gli strumenti che attualmente garantiscono una precisione temporale eccezionale.
Gli orologi classici si basano sul conteggio di un fenomeno periodico. Il pendolo di un tempo oscillava ritmicamente; l’orologio al quarzo sfrutta le vibrazioni di un cristallo. Gli orologi atomici, invece, si affidano alle caratteristiche particolari degli atomi, capaci di assorbire energia secondo frequenze specifiche.
Ogni atomo contiene un nucleo centrale – formato da protoni e neutroni – circondato da elettroni. Questi ultimi si spostano tra differenti livelli energetici assorbendo o rilasciando energia. Proprio su queste transizioni elettroniche si basano gli orologi atomici tradizionali, che le utilizzano come punto di riferimento costante. Gli orologi nucleari seguono invece un principio diverso: sfruttano le variazioni energetiche che si verificano all’interno del nucleo atomico, una zona oltre diecimila volte più ridotta rispetto all’intero atomo.
Questa scelta tecnica potrebbe garantire un beneficio considerevole. Il nucleo, infatti, risulta meno vulnerabile a diverse interferenze esterne, come i campi elettromagnetici, che possono alterare la precisione delle misurazioni. Esiste tuttavia un ostacolo: generalmente, per alterare lo stato energetico nucleare occorrono livelli di energia molto alti. Ed è proprio qui che entra in scena un elemento dalle proprietà uniche.
Torio-229: l’elemento chiave della scoperta
Al centro di entrambi gli esperimenti c’è il torio-229, una variante radioattiva del torio dalle caratteristiche eccezionali. La sua peculiarità risiede nel possedere due stati energetici nucleari estremamente ravvicinati. Questo rende possibile, a differenza di quanto avviene con la maggioranza dei nuclei atomici, indurre il passaggio da uno stato all’altro tramite un laser ultravioletto. Gli scienziati hanno quindi incorporato nuclei di torio-229 all’interno di piccoli cristalli di fluoruro di calcio, sottoponendoli poi all’azione di un laser calibrato su una frequenza estremamente precisa.
Il processo richiama quello di accordatura di uno strumento musicale. Quando il laser raggiunge la frequenza corretta, i nuclei assorbono energia modificando il proprio stato. Qualora la frequenza subisca anche minime variazioni, l’assorbimento si riduce: il sistema rileva questa discrepanza e corregge automaticamente il laser riportandolo sulla frequenza giusta. In questo modo, i nuclei di torio diventano il punto di riferimento che consente all’orologio di mantenere un ritmo costante.
Il team della Technische Universität Wien, l’Università tecnica di Vienna, diretto dal fisico Thorsten Schumm, ha sviluppato un prototipo in grado di autocorreggersi, senza necessità di appoggiarsi costantemente a un altro orologio atomico esterno. Il dispositivo ha mantenuto la stabilità per oltre 24 ore senza alcun intervento esterno, un risultato significativo che testimonia la capacità del sistema di operare in autonomia.
Vienna contro Pechino: due approcci, risultati differenti
I due team di ricerca hanno lavorato in modo indipendente, pubblicando i rispettivi risultati nello stesso numero di Nature. Nello studio condotto dal gruppo viennese, gli scienziati hanno dimostrato la possibilità di impiegare i nuclei di torio per correggere in modo continuo la frequenza del laser, realizzando così un orologio nucleare dotato di autostabilizzazione.
Il team della Tsinghua University di Pechino ha invece sviluppato un sistema che, nelle rilevazioni a breve termine, ha mostrato una stabilità circa sei volte maggiore rispetto al modello austriaco. Va precisato che questo dato indica semplicemente una minore oscillazione della frequenza nell’intervallo esaminato, senza implicare necessariamente una superiorità complessiva di sei volte in termini di accuratezza.
I ricercatori cinesi hanno inoltre messo a confronto due cristalli realizzati separatamente, riscontrando risultati molto simili tra loro, un elemento utile per valutare la futura riproducibilità di questi dispositivi su scala più ampia. Resta comunque il fatto che, al momento, ci troviamo di fronte a prototipi ancora in fase sperimentale. Nessuno dei due sistemi è attualmente pronto a sostituire gli strumenti ufficiali utilizzati per la definizione del tempo.
Il confronto con la precisione degli orologi atomici
Secondo quanto comunicato dall’Università tecnica di Vienna, il prototipo austriaco avrebbe raggiunto una precisione equivalente, in termini comprensibili, a un margine di errore di un secondo ogni 30 milioni di anni.
Un risultato già notevole per chiunque arrivi puntualmente con vent’anni di ritardo. Tuttavia, nell’ambito della ricerca sugli strumenti di precisione, questa performance non costituisce ancora un primato assoluto. Gli orologi atomici al cesio, utilizzati come standard per la definizione ufficiale del secondo, offrono prestazioni superiori, mentre gli orologi atomici ottici più avanzati raggiungono livelli di precisione ancora maggiori.
Perché, allora, dedicare tanti anni di studio agli orologi nucleari? La risposta sta nel potenziale di superare alcune limitazioni degli strumenti attualmente disponibili. I nuclei atomici risultano relativamente immuni dalle interferenze esterne e, sfruttando cristalli ricchi di numerosi nuclei, gli scienziati potrebbero ottenere segnali più stabili unitamente a dispositivi dalle dimensioni più contenute.
Le prestazioni attuali sono condizionate dalla potenza dei laser impiegati, dalla qualità dei cristalli utilizzati e dalla capacità di gestire con precisione le condizioni sperimentali. Un miglioramento di questi fattori potrebbe tradursi in un notevole incremento della precisione raggiungibile. L’obiettivo di arrivare a perdere soltanto un secondo nell’arco di miliardi di anni rimane dunque un traguardo che attende ancora conferma sperimentale.
Un possibile alleato nello studio della materia oscura
La prospettiva più affascinante, tuttavia, va ben oltre la semplice realizzazione di orologi sempre più accurati. Gli scienziati sperano infatti di utilizzare questi strumenti per indagare alcuni fenomeni fisici estremamente difficili da osservare, a partire dalla materia oscura. Gli astronomi sanno che l’universo contiene un’enorme quantità di materia invisibile, che non emette luce e non può essere osservata in modo diretto. La sua esistenza viene dedotta principalmente dagli effetti gravitazionali che produce su stelle, galassie e altre strutture cosmiche.
Al momento non conosciamo ancora la natura precisa delle particelle che la compongono. Secondo alcune teorie, specifiche forme di materia oscura potrebbero generare variazioni impercettibili nelle costanti fondamentali della fisica, ovvero in quelle grandezze che regolano il comportamento della materia e delle forze della natura.
Qualora tali variazioni esistessero davvero, potrebbero influenzare lievemente anche le frequenze impiegate dagli orologi più sensibili. Attraverso il confronto di misurazioni estremamente accurate, gli scienziati potrebbero individuarne le tracce. Il gruppo viennese ha già impiegato il nuovo orologio nucleare proprio per questo tipo di indagine. Gli esperimenti non hanno portato a una rilevazione diretta della materia oscura, ma hanno comunque permesso di restringere il campo di alcune ipotesi previste dai modelli teorici.
Questo risultato è illustrato nello studio pubblicato su Nature, insieme a tutte le specifiche tecniche del prototipo. Gli orologi nucleari potrebbero in futuro rivelarsi utili anche per verificare con maggiore rigore alcune leggi fondamentali della fisica, oltre che per ricercare eventuali fenomeni ancora inaccessibili agli strumenti attuali.
Il percorso verso questo obiettivo richiederà laser più performanti, cristalli perfezionati e ulteriori sperimentazioni. Nel frattempo, dopo decenni di studi, due laboratori sono riusciti a realizzare dispositivi che fino a poco tempo fa esistevano soltanto sulla carta, nei progetti teorici degli scienziati. Non hanno ancora superato gli orologi atomici in termini di precisione. Hanno però iniziato a misurare il tempo sfruttando una porzione dell’atomo che, fino a poco fa, sembrava quasi impossibile da raggiungere con un laser.