Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg ha controlado de forma coherente las excitaciones nucleares utilizando luz de rayos X de forma adecuada por primera vez. En el experimento realizado en el Sincrotrón Europeo ESRF, lograron una estabilidad de control temporal de unos pocos zeptosegundos. Esto constituye la base de nuevos enfoques experimentales que explotan el control de la dinámica nuclear que podrían conducir a estándares de tiempo futuro más precisos y abrir nuevas posibilidades en el camino hacia las baterías nucleares.

Los experimentos modernos sobre dinámica cuántica pueden controlar los procesos cuánticos de los electrones en los átomos en gran medida mediante campos láser. Sin embargo, la vida interna de los núcleos atómicos generalmente no juega ningún papel porque su energía característica, Las escalas de tiempo y longitud son tan extremas que prácticamente no se ven afectadas por los campos láser. Los nuevos enfoques dan nueva vida a la física nuclear explotando esta insensibilidad a las perturbaciones externas y utilizando las escalas extremas de los núcleos atómicos para mediciones particularmente precisas. Por lo tanto, Los núcleos atómicos pueden responder a los rayos X con una energía extremadamente bien definida excitando nucleones individuales, similar a los electrones en la capa atómica. Estas transiciones se pueden utilizar como mecanismos de relojería para relojes nucleares precisos, y esto requiere la medición de propiedades nucleares con la mayor precisión.

Un equipo de investigadores en torno a físicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg ha dado un paso adelante al no solo medir la dinámica cuántica de los núcleos atómicos, pero también controlándolos usando pulsos de rayos X de forma adecuada con una estabilidad temporal no obtenida previamente de unos pocos zeptosegundos, un factor de 100 mejor que cualquier otro logro previamente. Esto abre la caja de herramientas del control coherente, que se ha establecido con éxito en espectroscopia óptica, a los núcleos atómicos, proporcionando posibilidades y perspectivas completamente nuevas.

El llamado control coherente utiliza las propiedades de onda de la materia para controlar los procesos cuánticos a través de campos electromagnéticos, p.ej. pulsos de láser. Además de la frecuencia o longitud de onda, cada fenómeno de onda se caracteriza por la amplitud (altura de onda) y la fase (posición temporal de las crestas y valles de las ondas). Una analogía simple es el control de una oscilación oscilante periódica, empujones como olas. Para esto, se debe controlar el momento exacto (fase) del empuje en relación con el movimiento de oscilación. Si se empuja el columpio que se aproxima, se desacelera. Si, por otra parte, se aleja, su deflexión aumenta con el empuje.

Análogamente, las propiedades mecánicas cuánticas de la materia pueden controlarse mediante la dirección correspondientemente precisa de los campos láser aplicados. En las últimas décadas, Ha habido un gran progreso y éxito en el control coherente de átomos y moléculas, con una precisión temporal de la luz hasta el rango de attosegundos, la milmillonésima parte de una mil millonésima de segundo, que corresponde a la escala de tiempo natural de los electrones en los átomos. Los objetivos de investigación importantes con posibles aplicaciones futuras son, por ejemplo, el control de reacciones químicas o el desarrollo de nuevas, estándares de tiempo más precisos.

En años recientes, La disponibilidad de nuevas fuentes de radiación para rayos X con calidad láser (radiación de sincrotrón y láseres de electrones libres) ha abierto un nuevo campo:la óptica cuántica nuclear. Los físicos de los departamentos de Christoph Keitel y Thomas Pfeifer en el Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) en Heidelberg han logrado por primera vez demostrar un control coherente de las excitaciones nucleares por rayos X en el Sincrotrón Europeo ESRF (Grenoble, Francia) en cooperación con investigadores de DESY (Hamburgo) y el Instituto Helmholtz / Universidad Friedrich Schiller (Jena). Se logró una estabilidad del control coherente de unos pocos zeptosegundos (una milésima de attosegundo).

En el experimento, los investigadores del líder del proyecto Jörg Evers (MPIK) utilizaron dos muestras enriquecidas con el isótopo de hierro 57Fe, que se irradian con pulsos cortos de rayos X desde el sincrotrón (Fig. 1). En la primera muestra, generaron un pulso de rayos X doble controlable, que luego se utilizó para controlar la dinámica de los núcleos en la segunda muestra. Las excitaciones nucleares investigadas, que se vuelven a desexcitar por emisión de rayos X, se caracterizan por una muy alta nitidez en la energía:las llamadas transiciones de Mössbauer. El descubrimiento del efecto subyacente (Premio Nobel 1961) fue realizado por Rudolf Mössbauer en 1958 en el MPI for Medical Research, de la que se escindió el MPIK en el mismo año.

Para generar el doble pulso, los núcleos de la primera muestra son excitados por el pulso corto de rayos X y, debido a la nitidez de alta energía, libere esta excitación comparativamente lenta en forma de un segundo pulso de rayos X. En el experimento, la muestra se desplaza rápidamente entre la excitación y la desexcitación en una pequeña distancia que corresponde aproximadamente a la mitad de la longitud de onda de los rayos X. Esto cambia el tiempo de vuelo del segundo pulso a la segunda muestra, y así cambia la posición de las ondas de los dos pulsos de rayos X (fase relativa) entre sí.

Este doble pulso ahora permite controlar los núcleos de la segunda muestra. El primer pulso excita una dinámica mecánica cuántica en el núcleo, análogo al swing oscilante. El segundo pulso cambia esta dinámica, dependiendo de la fase relativa de los dos pulsos de rayos X. Por ejemplo, si la onda del segundo pulso golpea la segunda muestra en fase con la dinámica nuclear, los núcleos se excitan aún más. Variando la fase relativa, los investigadores pudieron cambiar entre una mayor excitación de los núcleos y la desexcitación de los núcleos, y así controlar el estado mecánico-cuántico de los núcleos. Esto se puede reconstruir a partir de las estructuras de interferencia medidas de la radiación de rayos X detrás de la segunda muestra (Fig. 2).

En la Fig.3 se ilustra una analogía acústica:Aquí, los núcleos de Mössbauer de las muestras corresponden a diapasones que son excitados por un golpe corto ("disparo inicial, "análogo al pulso del sincrotrón) y, a su vez, el sonido está ligeramente amortiguado con su frecuencia definida con precisión. El sonido de la primera bifurcación golpea la segunda bifurcación después del golpe como una excitación adicional. En el caso (a), esta onda de sonido se mueve en sentido opuesto a la segunda bifurcación, de modo que su oscilación se desactive. En el caso (b), la primera horquilla se cambia rápidamente para que su sonido coincida con el movimiento de la segunda horquilla y, por lo tanto, la excite más.

Dadas las demandas extremas requeridas para controlar los núcleos atómicos (el desplazamiento de la primera muestra en media longitud de onda es del orden de un radio atómico), La aparentemente pequeña influencia de las perturbaciones externas en la calidad del experimento es sorprendente. Sin embargo, esto funciona, debido a la corta duración de una secuencia de medición, durante el cual los principales movimientos perturbadores quedan prácticamente congelados. Esta estabilidad es un requisito previo para futuras aplicaciones nuevas basadas en transiciones nucleares:estándares de tiempo más precisos, investigación de la variación de constantes fundamentales o la búsqueda de nueva física más allá de los modelos aceptados.

En el campo de la dinámica atómica, El control de largo alcance es la clave para muchas aplicaciones. Las posibilidades aquí demostradas abren la puerta a nuevos enfoques experimentales basados ​​en el control de la dinámica nuclear, p.ej. preparando núcleos en estados cuánticos particulares que permitan mediciones más precisas. En la medida en que las futuras fuentes de rayos X permitan una mayor excitación de los núcleos, También serían concebibles baterías nucleares que puedan almacenar y liberar grandes cantidades de energía en las excitaciones internas de los núcleos sin fisión o fusión nuclear.