El núcleo del torio-229 posee una propiedad que es única entre todos los nucleidos conocidos:debería ser posible excitarlo con luz ultravioleta. Hasta la fecha, Se sabe poco sobre el estado de baja energía del núcleo Th-229 responsable de esta propiedad. Junto con sus colegas de Munich y Mainz, Los investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) han realizado las primeras mediciones, utilizando métodos ópticos, de algunas propiedades importantes de este estado nuclear, como la forma de su distribución de carga. De este modo, se puede monitorear una excitación láser del núcleo atómico, permitiendo así que se realice un reloj nuclear óptico que "hace tictac" con mayor precisión que los relojes atómicos actuales. Los científicos han informado de sus resultados en la edición actual de Naturaleza .

Ya hace unos 15 años, Ekkehard Peik y Christian Tamm estaban desarrollando el concepto de un nuevo reloj atómico que tenía propiedades únicas en PTB en Braunschweig:en lugar de utilizar una frecuencia de transición entre dos estados en la capa de electrones como generador de pulsos de su reloj, como es el caso de todos los relojes atómicos en uso hoy en día, previeron utilizar una frecuencia de transición en el núcleo. Debido a que los protones y neutrones en el núcleo están empaquetados más densamente que los electrones en la capa atómica en varios órdenes de magnitud, reaccionan con menos sensibilidad a las perturbaciones externas que pueden cambiar sus frecuencias de transición, lo que proporciona buenas condiciones para un reloj de alta precisión.

Sin embargo, las frecuencias de las transiciones nucleares también son mucho más altas que las de las transiciones de caparazón (en el rango de los rayos X); por esta razón, son inutilizables para relojes atómicos, cuales, hasta la fecha, se han basado exclusivamente en microondas o luz láser. La única excepción conocida, y la base de la propuesta de PTB, es el núcleo del torio-229. Este núcleo posee un cuasi-estable, Estado nuclear isomérico a una energía de excitación excepcionalmente baja. Por lo tanto, existe una transición entre el estado fundamental y este isómero, que está en el rango de frecuencia de la luz ultravioleta, y por tanto al alcance de una tecnología láser similar a la que se utiliza en los relojes atómicos ópticos actuales.

Más de diez grupos de investigación de todo el mundo están trabajando actualmente en proyectos relacionados con la viabilidad de un reloj nuclear de torio-229. En términos experimentales, esta cuestión ha resultado ser extremadamente difícil. Por esta razón, hasta ahora no se ha logrado ningún éxito en la observación de la transición nuclear utilizando métodos ópticos, ya que el conocimiento de la energía de excitación precisa del isómero ha sido solo aproximado. "Como se desee para el reloj, la resonancia de la transición es extremadamente nítida y solo se puede observar si la frecuencia de la luz láser coincide con precisión con la diferencia de energía de ambos estados. Por tanto, el problema se asemeja a la proverbial búsqueda de una aguja en un pajar, "dice el Dr. Peik.

En 2016, Los socios de cooperación del Dr. Peik en Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) en Munich informaron sobre su primer avance en Naturaleza :Por primera vez, pudieron probar la transición nuclear dentro del núcleo de torio-229, a pesar de que los métodos que utilizaron eran muy diferentes de los utilizados para un reloj atómico.

Este proyecto de investigación colaborativa, que, además de los científicos de PTB y LMU, también incluye científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, el Helmholtz Institute Mainz y GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt - ha dado ahora otro paso decisivo:por primera vez, Ha sido posible medir propiedades básicas como el tamaño y la forma de la distribución de carga en el estado excitado del núcleo Th-229. Para tal fin, los núcleos Th-229 no se excitaron desde su estado fundamental (como ocurrirá en el futuro en el reloj); en lugar de, en un dispositivo desarrollado por LMU, se obtuvieron en estado excitado a partir de la desintegración alfa del uranio-233, ralentizados y almacenados como iones Th2 + en una trampa de iones. Los grupos de Mainz y Darmstadt proporcionaron una fuente de uranio-233 adecuada para este fin. Mediante sistemas láser desarrollados en PTB para la espectroscopia de estos iones, fue posible medir con precisión las frecuencias de transición en la capa de electrones. Debido a que estas frecuencias están directamente influenciadas por las propiedades nucleares, se pueden utilizar para obtener información sobre estas propiedades. Hasta la fecha, Los modelos basados ​​únicamente en la teoría no han podido predecir cómo se comportará la estructura del núcleo Th-229 durante esta transición inusualmente de baja energía. Es más, debido a que la estructura de la capa de electrones es más fácil de medir usando espectroscopía, se ha hecho posible usarlo para demostrar una excitación láser del núcleo.

Sin embargo, incluso si esto no significa que se haya completado la búsqueda de la frecuencia de resonancia óptica del núcleo Th-229 (la "aguja en el pajar"), ahora sabemos cómo se ve realmente la aguja, acercándonos un paso significativo al reloj atómico óptico.