Il Premio Nobel e gli orologi atomici

Ecco. E' passato un bel po'. Ci sono cose che diventano obsolete e altre che invece invecchiano, e spero questa sia una delle seconde. E' che non sono riuscito, vuoi per il fattore tempo, vuoi per la voglia, a scriverne prima, eppure è successo che, a causa di una agenzia, il Nobel per la Fisica 2012 è stato accompagnato da una castroneria via l'altra, come direbbe qualcuno dei miei vecchi professori. Il riassunto delle puntate precedenti c'è sul blog di Peppe, io invece mi limito a ricordare che quello che può essere considerato come il padre degli orologi atomici ha vinto il Nobel in Fisica nel 1944

per il suo metodo risonante per registrare le proprietà magnetiche dei nuclei⁽¹⁾

Se andiamo ad approfondire la storia di questo particolare dispositivo, scopriamo che l'idea da cui è partito tutto è nientemeno che di Lord Kelvin nel 1879:

Poi arriva Isidor Isaac Rabi che mette in pratica le idee di Lord Kelvin, e misurare il tempo diventa un'operazione così precisa che non bastano più i proverbiali svizzeri! Come spiegano Lombardi, Heavner e Jefferts⁽²⁾, Rabi e il suo team svilupparono gli orologi atomici tra gli anni 30 e i 40 del XX secolo. In particolare il lavoro ritenuto chiave nella realizzazione di un vero e proprio orologio atomico fu quello pubblicato nel 1938, A new method of measuring nuclear magnetic moment⁽³⁾

Proposito di questa nota è descrivere un esperimento nel quale il momento magnetico nucleare è misurato in un modo molto diretto. Il metodo è capace di grandissima precisione ed estensione a un grandissimo numero e varietà di nuclei atomici.

L'idea di base è quella di far passare un fascio di particelle, nel caso del primo esperimento delle molecole di LiCl, attraverso un gruppo di magneti, in modo che gli spin nucleari si disaccoppino uno dall'altro e dalla rotazione molecolare. A questo punto si applica un ulteriore campo magnetico, questa volta leggermente oscillante, in modo che gli spin e il momento magnetico nucleare si riorientino, ottenendo alla fine una sorta di precessione della frequenza⁽³⁾.
Alla fine Rabi e colleghi sono riusciti ad osservare perfettamente i picchi di risonanza dei due nuclei di litio e cloro separati e appena l'anno successivo, come anche promesso nelle conclusioni dell'articolo del 1938, sono riusciti ad aggiornare il metodo utilizzando dei nuovi atomi, descrivendo in maniera un po' più dettagliata l'apparato sperimentale utilizzato⁽⁴⁾:

The apparatus consists of two magnets in succession which produce inhomogeneous magnetic fields of oppositely directed gradients. A molecular beam of the substance to be studied possesses a sigmoid path in these magnets and is focused on a suitable detector. A third magnet which produces a homogeneous field is placed in the region between the two deflecting magnets.⁽⁴⁾

Attenzione: in questi primi lavori in effetti non si fa mai alcun cenno esplicito alle applicazioni per la costruzione di un orologio atomico. Gli esperimenti del team di Rabi, infatti, avevano un obiettivo molto più specifico: comprendere la struttura fine del nucleo e se effettivamente questi interagiva con gli elettroni come se fosse, per loro, un piccolo magnete⁽⁴⁾. Certo fu proprio nel 1939 che Rabi iniziò a discutere, molto informalmente, di orologi atomici⁽²⁾, ma bisogna aspettare il 20 gennaio del 1945 per ascoltare Rabi a una conferenza per la American Physical Society e per la American Association of Physics Teachers parlare esplicitamente di orologi atomici⁽²⁾.
Secondo alcune fonti, raccolte da Lombardi e colleghi⁽²⁾, Rabi semplicemente aspettava di misurare la transizione del Cesio, cosa che avvenne nel 1940. Il primo orologio atomico, però, costruito e messo in opera nel 1948 dal team del National Bureau of Standards (oggi NIST) guidato da Harold Lyons, non si basava sul cesio, ma sull'ammoniaca⁽²⁾. Era un oscillatore costituito da cristalli di quarzo stabilizzati dall'ammoniaca.
Così Rabi, che per me è da considerarsi il vero padre di questi dispositivi di precisione, vinse il Nobel per la scienza, mentre Lyons passò alla storia come l'inventore degli orologi atomici, un primato stabilito anche da un piccolo cartoon pubblicitario e che nemmeno una piccola agenzia stampa italiana può togliergli:

Ultima nota di colore: lungo tutto Atomic clock dei due Premi Nobel per la fisica di quest'anno è presente il solo Wineland con un lavoro sugli orologi ottici, che sono cosa diversa da quelli atomici, mi vien da aggiungere.

(1) for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei
(2) M.A. Lombardi, T.P. Heavner, S.R. Jefferts (2007). "NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second". Journal of Measurement Science 2 (4): 74. (pdf)
(3) Rabi, I., Zacharias, J., Millman, S., & Kusch, P. (1938). A New Method of Measuring Nuclear Magnetic Moment Physical Review, 53 (4), 318-318 DOI: 10.1103/PhysRev.53.318 (pdf)
(4) Rabi, I., Millman, S., Kusch, P., & Zacharias, J. (1939). The Molecular Beam Resonance Method for Measuring Nuclear Magnetic Moments. The Magnetic Moments of Li63, Li73 and F199 Physical Review, 55 (6), 526-535 DOI: 10.1103/PhysRev.55.526 (pdf 1, pdf 2)

Ultimi link:
Lyons che spiega l'esperimento degli orologi atomici
The atomic clock, un pdf con un articolo di Lyons in proposito.

Harold Lyons, sulla destra, insieme con Edward Condon, al tempo direttore dell'NBS, sulla sinistra. Al centro il primo orologio atomico all'ammoniaca.