Se ha abierto una nueva puerta al mundo cuántico:cuando un átomo absorbe o libera energía a través del salto cuántico de un electrón, se vuelve más pesado o más ligero. Esto puede explicarse por la teoría de la relatividad de Einstein (E =mc ² ). Sin embargo, el efecto es minúsculo para un solo átomo. Sin embargo, el equipo de Klaus Blaum y Sergey Eliseev del Instituto Max Planck de Física Nuclear ha medido con éxito este cambio infinitesimal en la masa de átomos individuales por primera vez. Para lograr esto, utilizaron el equilibrio atómico ultrapreciso Pentatrap en el Instituto de Heidelberg. El equipo descubrió un estado cuántico previamente no observado en el renio, lo que podría ser interesante para futuros relojes atómicos. Sobre todo, este equilibrio atómico extremadamente sensible permite una mejor comprensión del complejo mundo cuántico de los átomos pesados.

Asombroso, pero cierto:si le das cuerda a un reloj mecánico, se vuelve más pesado. Lo mismo sucede cuando carga su teléfono inteligente. Esto se puede explicar por la equivalencia de energía (E) y masa (m), que Einstein expresó en la fórmula más famosa de la física:E =mc ² (c:velocidad de la luz en el vacío). Sin embargo, este efecto es tan pequeño que elude por completo nuestra experiencia diaria. Una balanza convencional no podría detectarlo.

Pero en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, hay un equilibrio que puede:Pentatrap. Puede medir el minúsculo cambio en la masa de un solo átomo cuando un electrón absorbe o libera energía a través de un salto cuántico. abriendo así un nuevo mundo para la física de precisión. Tales saltos cuánticos en las capas de electrones de los átomos dan forma a nuestro mundo, ya sea en la fotosíntesis que dan vida y en las reacciones químicas generales o en la creación del color y nuestra visión.

Una hormiga encima de un elefante.

Rima Schüssler, ahora becario postdoctoral en el Instituto Max Planck de Física Nuclear, ha ayudado a construir Pentatrap desde que completó su tesis de maestría en 2014. Es la autora principal de un artículo sobre un descubrimiento inesperado realizado en una colaboración en el Centro Max Planck PTB Riken:En renio, hay un estado cuántico electrónico previamente desconocido con propiedades especiales. Schüssler utiliza la siguiente analogía para describir el grado de sensibilidad con el que Pentatrap puede detectar el salto de un electrón a este estado cuántico a través del cambio de masa de un átomo de renio:"Al pesar un elefante de seis toneladas, pudimos determinar si una hormiga de diez miligramos se arrastraba sobre él ".

Pentatrap consta de cinco trampas Penning. Para que tal trampa pueda pesar un átomo, debe estar cargado eléctricamente (es decir, convertirse en un ion). Debido a que el renio fue despojado de 29 de sus 75 electrones, está muy cargado. Esto aumenta drásticamente la precisión de la medición. La trampa captura este ion de renio altamente cargado en una combinación de un campo magnético y un campo eléctrico de forma especial. Dentro, viaja en un camino circular, que está intrincadamente retorcido en sí mismo. En principio, se puede pensar en una pelota en una cuerda, que se le permite girar en el aire. Si esto se hace con fuerza constante, una bola más pesada gira más lentamente que una más ligera.

Un estado cuántico de larga duración en renio

En Pentatrap, dos iones de renio rotaron alternativamente en las trampas apiladas. Un ion estaba en el estado cuántico energéticamente más bajo. Cuando se generó el segundo ion, un electrón se excitó aleatoriamente a un estado superior al suministrar energía. En un sentido, era el reloj de la herida. Debido a la energía almacenada, se volvió marginalmente más pesado y por lo tanto circulaba más lento que el primer ion. Pentatrap cuenta con precisión el número de revoluciones por unidad de tiempo. La diferencia en el número de revoluciones produjo el aumento de peso.

Usando este método, el equipo descubrió un estado cuántico de larga duración en el renio. Es metaestable (es decir, se desintegra después de cierta vida). Según los cálculos de los teóricos del instituto dirigido por Zoltán Harman y Christoph H. Keitel, la Universidad de Heidelberg, y el Laboratorio Kastler Brossel en París, esto es 130 días. La posición del estado cuántico también concuerda bastante bien con los cálculos de modelos que utilizan métodos mecánicos cuánticos de última generación.

Posible aplicación en futuros relojes atómicos

Estos estados electrónicos excitados en iones altamente cargados son interesantes para la investigación básica, así como para su posible aplicación en futuros relojes atómicos, según lo investigado por el grupo de trabajo de José Crespo López-Urrutia en el Instituto en cooperación con Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Para ellos, el estado metaestable del renio es atractivo por varias razones. Primero, por su longevidad, corresponde a una frecuencia orbital aguda del electrón alrededor del núcleo atómico. Segundo, el electrón puede excitarse con luz de rayos X suave para saltar a este estado cuántico. En principio, tal reloj podría marcar más rápido y, por lo tanto, incluso con mayor precisión que la generación actual de relojes atómicos ópticos. Sin embargo, según Ekkehard Peik, quién está a cargo del Departamento de Tiempo y Frecuencia en PTB y quién no estuvo involucrado en el trabajo, Todavía es demasiado pronto para especular si el descubrimiento podría ser adecuado para una nueva generación de relojes atómicos.

"Sin embargo, este nuevo método para descubrir estados cuánticos de larga duración es espectacular, "dice el físico. Se imagina que los relojes atómicos que trabajan con estos nuevos estados cuánticos podrían ofrecer inicialmente un nuevo campo de prueba para la investigación básica. Debido a que los iones de renio carecen de muchos electrones que se protegen mutuamente, los electrones restantes sienten el campo eléctrico del núcleo atómico con especial fuerza. Por lo tanto, los electrones corren alrededor del núcleo a velocidades tan altas que su movimiento debe describirse utilizando la teoría de la relatividad especial de Einstein. Con el nuevo equilibrio atómico, también sería posible probar con alta precisión si la relatividad especial y la teoría cuántica interactúan como lo describe esta teoría.

En general, el nuevo equilibrio atómico ofrece un acceso novedoso a la vida interior cuántica de los átomos más pesados. Debido a que estos constan de muchas partículas:electrones, protones, y neutrones, no se pueden calcular con exactitud. Por tanto, los modelos atómicos para cálculos teóricos se basan en simplificaciones, y ahora pueden comprobarse con extrema precisión. Podría ser posible utilizar átomos como sondas en la búsqueda de partículas desconocidas, que sólo puede ser detectado por la fuerza gravitacional extremadamente débil. Esta materia oscura es uno de los mayores misterios sin resolver de la física.

En el camino hacia una nueva física

También se logró un paso importante hacia el acceso de nueva física con métodos físico-atómicos con Pentatrap [Phys. Rev. Lett. 124, 113001]. Los investigadores de Heidelberg llevaron a cabo mediciones de masa en una cadena de cinco pares de isótopos de xenón. Usando espectroscopía láser de alta resolución en cadenas similares de otros elementos como calcio e iterbio, se puede inferir una relación lineal a partir de las pequeñas diferencias de energía (desplazamiento de isótopos). Las desviaciones no lineales de esta lata, sin embargo, ser una indicación de nueva física (interacciones fundamentales adicionales, nuevas partículas, materia oscura), que se manifiesta bajo una observación extremadamente precisa, una alternativa a los experimentos de alta energía. Aquí también, Se debe enfatizar la estrecha cooperación con la teoría (grupo de Zoltan Harman en MPIK). La medición directa de la energía de enlace de un electrón en un ion muy cargado muestra una muy buena concordancia con los cálculos relativistas de la estructura atómica. Esto crea la base, p. Ej. para futuras pruebas de alta precisión de electrodinámica cuántica.