Los físicos llevan mucho tiempo esperando este momento:durante muchos años, los científicos de todo el mundo han estado buscando un estado muy específico de los núcleos atómicos de torio que prometa aplicaciones tecnológicas revolucionarias. Podría utilizarse, por ejemplo, para construir un reloj nuclear que pudiera medir el tiempo con mayor precisión que los mejores relojes atómicos disponibles en la actualidad. También podría usarse para responder preguntas fundamentales completamente nuevas en física, por ejemplo, la cuestión de si las constantes de la naturaleza son realmente constantes o si cambian en el espacio y el tiempo.
Ahora esta esperanza se ha hecho realidad:se ha encontrado la tan buscada transición de torio y ahora se conoce exactamente su energía. Por primera vez, ha sido posible utilizar un láser para transferir un núcleo atómico a un estado de mayor energía y luego seguir con precisión su regreso a su estado original.
Esto permite combinar dos áreas de la física que hasta ahora tenían poco que ver entre sí:la física cuántica clásica y la física nuclear. Un requisito previo crucial para este éxito fue el desarrollo de cristales especiales que contienen torio.
Un equipo de investigación dirigido por el Prof. Thorsten Schumm de TU Wien (Viena) ha publicado este éxito junto con un equipo del Instituto Nacional de Metrología de Braunschweig (PTB) en la revista Physical Review Letters. .
La manipulación de átomos o moléculas con láseres es algo común hoy en día:si se elige exactamente la longitud de onda del láser, los átomos o moléculas pueden cambiar de un estado a otro. De esta forma se pueden medir con mucha precisión las energías de los átomos o de las moléculas. En esto se basan muchas técnicas de medición de precisión, como los relojes atómicos actuales, pero también métodos de análisis químicos. Los láseres también se utilizan a menudo en ordenadores cuánticos para almacenar información en átomos o moléculas.
Sin embargo, durante mucho tiempo pareció imposible aplicar estas técnicas a los núcleos atómicos.
"Los núcleos atómicos también pueden cambiar entre diferentes estados cuánticos. Sin embargo, normalmente se necesita mucha más energía para cambiar un núcleo atómico de un estado a otro:al menos mil veces la energía de los electrones en un átomo o una molécula", dice Schumm. "Por eso normalmente los núcleos atómicos no se pueden manipular con láser. La energía de los fotones simplemente no es suficiente."
Esto es desafortunado porque los núcleos atómicos son en realidad los objetos cuánticos perfectos para mediciones de precisión:son mucho más pequeños que los átomos y las moléculas y, por lo tanto, son mucho menos susceptibles a perturbaciones externas, como los campos electromagnéticos. Por lo tanto, en principio permitirían mediciones con una precisión sin precedentes.
La aguja en el pajar
Desde los años 70 se especula con la posibilidad de que exista un núcleo atómico especial que, a diferencia de otros núcleos, tal vez pueda manipularse con un láser:el torio-229. Este núcleo tiene dos estados de energía muy adyacentes, tan adyacentes que, en principio, un láser debería ser suficiente para cambiar el estado del núcleo atómico.
Sin embargo, durante mucho tiempo sólo hubo pruebas indirectas de la existencia de esta transición. "El problema es que para poder inducir la transición con un rayo láser es necesario conocer con extrema precisión la energía de la transición", afirma Schumm.
"Conocer la energía de esta transición con una precisión de un electrón voltio es de poca utilidad si para detectar la transición hay que encontrar la energía correcta con una precisión de una millonésima de electrón voltio". Es como buscar una aguja en un pajar o intentar encontrar un pequeño cofre del tesoro enterrado en una isla de un kilómetro de largo.
Algunos grupos de investigación han intentado estudiar los núcleos de torio manteniéndolos individualmente en su lugar en trampas electromagnéticas. Sin embargo, Schumm y su equipo eligieron una técnica completamente diferente.
"Hemos desarrollado cristales en los que están incorporados un gran número de átomos de torio", explica Fabian Schaden, que desarrolló los cristales en Viena y los midió junto con el equipo del PTB.
"Aunque esto es técnicamente bastante complejo, tiene la ventaja de que no sólo podemos estudiar núcleos de torio individuales de esta manera, sino que también podemos alcanzar aproximadamente 10 elevado a 17 núcleos de torio simultáneamente con el láser, aproximadamente un millón de veces más que estrellas. en nuestra galaxia."
La gran cantidad de núcleos de torio amplifica el efecto, acorta el tiempo de medición requerido y aumenta la probabilidad de encontrar realmente la transición energética.
El 21 de noviembre de 2023, el equipo finalmente tuvo éxito:se alcanzó exactamente la energía correcta de la transición de torio y los núcleos de torio emitieron por primera vez una señal clara. En realidad, el rayo láser había cambiado de estado. Después de un cuidadoso examen y evaluación de los datos, el resultado ya ha sido publicado.
"Para nosotros esto es un sueño hecho realidad", afirma Schumm. Desde 2009, Schumm ha centrado toda su investigación en la búsqueda de la transición del torio. Su grupo, así como equipos competidores de todo el mundo, han logrado repetidamente importantes éxitos parciales en los últimos años.
"Por supuesto, estamos encantados de poder presentar ahora el avance decisivo:la primera excitación láser dirigida de un núcleo atómico", afirma Schumm.
Esto marca el comienzo de una nueva y apasionante era de investigación:ahora que el equipo sabe cómo excitar el estado de torio, esta tecnología se puede utilizar para mediciones de precisión. "Desde el principio, construir un reloj atómico fue un objetivo importante a largo plazo", afirma Schumm.
"De manera similar a cómo un reloj de péndulo utiliza el balanceo del péndulo como cronómetro, la oscilación de la luz que excita la transición del torio podría usarse como cronómetro para un nuevo tipo de reloj que sería significativamente más preciso que los mejores relojes atómicos. disponible hoy."
Pero no sólo el tiempo podría medirse de esta manera con mucha más precisión que antes. Por ejemplo, el campo gravitacional de la Tierra podría analizarse con tanta precisión que podría proporcionar indicaciones sobre recursos minerales o terremotos. El método de medición también podría utilizarse para llegar al fondo de misterios fundamentales de la física:¿son realmente constantes las constantes de la naturaleza? ¿O tal vez se puedan medir pequeños cambios a lo largo del tiempo?
"Nuestro método de medición es sólo el comienzo", afirma Schumm. "Aún no podemos predecir qué resultados conseguiremos con ello. Sin duda será muy emocionante."
Más información: J. Tiedau et al, Excitación láser del núcleo Th-229, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.182501
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena
