Los relojes atómicos modernos son las herramientas de medición más precisas disponibles en la actualidad. Los mejores instrumentos actuales se desvían solo un segundo en 30 mil millones de años. Sin embargo, incluso este extraordinario nivel de precisión puede mejorarse. En efecto, un reloj basado en un estado nuclear excitado de torio-229 debería permitir mejorar la precisión de la sincronización en otro orden de magnitud.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por el físico Peter Thirolf en Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) en Munich con colaboradores institucionales ha dado un paso importante hacia ese reloj. El nuevo estudio se publica en la revista Naturaleza .

En el papel, los autores informan que han logrado cuantificar la energía liberada por la desintegración del núcleo excitado de torio-229, que es un requisito previo esencial para la realización de un reloj nuclear a base de torio.

A diferencia de los relojes atómicos actuales, que hacen uso de oscilaciones en las capas externas de electrones de los átomos, Los relojes nucleares emplean oscilaciones dentro del núcleo como cronometradores. En ambos casos, las oscilaciones son el producto de transiciones entre niveles de energía definidos, que puede ser excitado por luz láser de una longitud de onda específica. Típicamente, las energías necesarias para excitar las oscilaciones en la gran mayoría de los núcleos atómicos son órdenes de magnitud superiores a las necesarias para estimular las transiciones en las capas orbitales de los electrones, lo que excluye el uso de láseres convencionales para este fin. Sin embargo, sólo hay un candidato viable para el desarrollo de un reloj nuclear:el núcleo de torio-229. Su estado excitado se encuentra en una energía que es, con mucho, la más baja de cualquier estado encontrado en los aproximadamente 3800 núcleos atómicos actualmente conocidos. Irradiación con luz ultravioleta, que está dentro de la capacidad de los láseres ahora disponibles, es suficiente para poblar este estado excitado.

Sin embargo, hasta ahora, la energía precisa requerida para generar el torio-229 excitado sigue siendo desconocida. "Para inducir la transición nuclear, la longitud de onda de la luz láser debe ajustarse para que coincida exactamente con la energía de transición. Ahora hemos logrado medir esto precisamente por primera vez, "dice Benedict Seiferle, autor principal del nuevo artículo.

Para estas medidas, llevado a cabo en LMU, los autores del estudio hicieron uso del catión torio-229 doblemente cargado. Las fuentes que proporcionan este catión en el estado nuclear excitado se desarrollaron en Mainz y luego se colocaron dentro de una trampa de iones dedicada desarrollada en LMU. El estado excitado del catión tiene una vida útil de horas. Esto es relativamente largo para un estado nuclear excitado y es crucial para el desarrollo futuro del reloj. pero dificulta la medición de la energía de desintegración. "Esta larga vida significa que la desintegración al estado fundamental ocurre solo en raras ocasiones. Dado que la medición de esta desintegración era el objetivo de nuestro experimento, aprovechamos el hecho de que la desintegración ocurre rápidamente cuando los cationes tienen la oportunidad de recolectar los electrones faltantes, "dice Seiferle.

Para proporcionar electrones, Seiferle y sus colegas guiaron los iones a través de una capa de grafeno. En su camino a través de esta capa, cada ion recoge dos electrones y emerge como un átomo neutro en el otro lado. Gracias a este paso de neutralización controlado, el estado excitado luego decae al estado fundamental en unos pocos microsegundos. Los átomos neutralizados expulsan un electrón de una capa atómica externa, generando así un ion torio-229 cargado positivamente. La energía cinética del electrón libre depende de la energía de excitación del estado nuclear y se determina mediante un espectrómetro de electrones. Sin embargo, esta energía es solo una fracción de la energía utilizada para generar el estado nuclear excitado. El resto permanece en el torio-229, lo que hace que la interpretación del espectro resultante sea compleja. Para solucionar este problema, los autores del Instituto Max-Planck de Física Teórica de Heidelberg calcularon los espectros esperados. Con la ayuda de estas predicciones, y en colaboración con sus colegas en Viena y Bonn, El equipo de Munich pudo determinar entonces la energía realmente asociada con la desintegración del estado nuclear excitado.

El resultado indica que el núcleo de torio-229 puede excitarse a este nivel mediante irradiación con luz láser a una longitud de onda de alrededor de 150 nanómetros. Ahora se pueden construir láseres diseñados específicamente para emitir en este rango de longitud de onda. Este paso acercará mucho más el primer reloj nuclear a la realización práctica. Los investigadores creen que un reloj nuclear basado en torio abrirá nuevas vías en las ciencias básicas, pero también encontrará muchas aplicaciones, que solo son posibles sobre la base de mediciones extremadamente precisas en el dominio del tiempo.