Orologi atomici e comportamenti fermionici

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Impegnati nella costruzione di uno dei più accurati orologi atomici del mondo, un gruppo di ricercatori statunitensi ha scoperto che tra gli atomi utilizzati, quelli di stronzio-87, possono avvenire collisioni proibite.
La materia di cui siamo costituiti è materia di tipo fermionico, la stessa degli atomi di stronzio-87: per il principio di Pauli, i fermioni sono particelle che non possono avere la stessa energia e occupare lo stesso luogo nello spazio e nel medesimo tempo. In pratica i fermioni devono avere numeri quantici differenti: questo vuol dire che le collisioni tra fermioni, come quelle "artificiali" negli acceleratori di particelle (come l'LHC) o quelle naturali come i raggi cosmici che interagiscono con l'atmosfera terrestre, non possono avvenire quando i fermioni sono identici. A tutto questo si aggiunga il fatto che le collisioni perturbano i livelli degli atomi, quando le particelle che interagiscono sono atomi: tali tipi di fermioni, quindi, dovrebbero avere livelli energetici molto stabili.
Quest'ultima proprietà in particolare è stata utilizzata lo scorso anno da Jun Ye e colleghi presso il NIST e lo JILA, per costruire un orologio atomico basato su circa 2000 atomi di stronzio ultrafreddi intrappolati in un reticolo ottico di laser infrarossi sovrapposti. Gli atomi erano immersi nella luce di un laser posto alla frequenza corrispondente con la transizione atomica nello stronzio: le oscillazioni tra i livelli energetici, quindi, avvenivano proprio a quella frequenza e questo ha consentito ai ricercatori di realizzare un tic dell'orologio estremamente preciso.