Físicos logran excitar núcleos atómicos con láser
Un experimento logra que las físicas cuántica y nuclear se puedan combinar. La transición del torio, que los físicos llevaban décadas buscando, se ha podido lograr por primera vez con láser. Esto allana el camino para tecnologías revolucionarias de alta precisión, incluidos los relojes nucleares y la detección de terremotos.
Por la Universidad Técnica de Viena
Un rayo láser cambia el estado de los núcleos de torio, que están incrustados en un cristal. Crédito: Oliver Diekmann, TU Wien
Los físicos llevaban mucho tiempo esperando este momento: durante años, 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 utilizarse 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: físicos han encontrado la tan buscada transición del 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.
Un avance que permite combinar dos áreas de la física que antes tenían poco que ver entre sí: la física cuántica clásica y la física nuclear.
Este hito permite combinar dos áreas de la física que antes tenían poco que ver entre sí: la física cuántica clásica y la física nuclear. Un requisito previo decisivo para este éxito fue el desarrollo de cristales especiales que contienen torio. Un equipo de investigación dirigido por Thorsten Schumm de la Universidad Técnica de Viena (Austria) ha publicado este logro junto con un equipo del Instituto Nacional de Metrología de Braunschweig (PTB) en la revista Physical Review Letters.
Manipular átomos o moléculas con láser es hoy algo habitual: si se elige exactamente la longitud de onda del láser, los átomos o moléculas pueden pasar de un estado a otro. De este modo, las energías de los átomos o moléculas pueden medirse con gran precisión.
Muchas técnicas de medición de precisión se basan en ello, como es el caso de los actuales relojes atómicos, pero también los métodos de análisis químico. Además, los láseres se utilizan a menudo en los ordenadores cuánticos para almacenar información en átomos o moléculas.
El físico Thorsten Schumm. En 2010 inició su propio grupo de investigación sobre metrología cuántica, con el objetivo de realizar novedosos esquemas de relojes atómicos basados en transiciones nucleares. Crédito: Foto Wilke
Sin embargo, durante mucho tiempo a los científicos les pareció casi 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 llevar a un núcleo atómico de un estado a otro: al menos mil veces la energía de los electrones en un átomo o una molécula— explica Schumm. Y añade—: Por eso normalmente los núcleos atómicos no pueden manipularse con láser. La energía de los fotones simplemente no es suficiente".
Esto es lamentable, 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 setenta se especula con la posibilidad de que exista un núcleo atómico especial que, a diferencia de otros núcleos, podría manipularse con láser: el torio-229. Este núcleo tiene dos estados energéticos muy próximos entre sí, tan próximos que, en principio, bastaría un láser para cambiar el estado del núcleo atómico.
Sin embargo, durante mucho tiempo solo hubo pruebas indirectas de la existencia de esta transición. "El problema es que hay que conocer con extrema precisión la energía de la transición para poder inducirla con un rayo láser— explica Schumm. "Y continúa—: Conocer la energía de esta transición con una precisión de un electronvoltio sirve de poco, si tienes que acertar con la energía adecuada con una precisión de una millonésima de electronvoltio para poder detectar la transición".
Es como buscar una aguja en un pajar, o intentar encontrar un pequeño cofre del tesoro enterrado en una isla gigantesca, asegura este experto.
El truco del cristal de torio.
Algunos grupos de investigación han intentado estudiar núcleos de torio sujetándolos individualmente en trampas electromagnéticas. Recordemos que una trampa electromagnética es un dispositivo que se utiliza en física para atrapar y manipular partículas cargadas eléctricamente, como iones y electrones, mediante campos eléctricos y magnéticos. Estas trampas son utilizadas en una variedad de aplicaciones, que incluye la investigación en física de partículas y la física atómica y molecular, así como en la fabricación de dispositivos como relojes atómicos y computadoras cuánticas.
Sin embargo, Schumm y su equipo optaron por una técnica completamente distinta.
"Desarrollamos cristales en los que se incorporan grandes cantidades de átomos de torio— asegura Fabian Schaden, que desarrolló los cristales en Viena y los midió junto con el equipo del PTB. Y añade—: Aunque esto es técnicamente bastante complejo, tiene la ventaja de que no solo podemos estudiar núcleos individuales de torio de esta manera, sino que podemos golpear aproximadamente diez elevado a diecisiete núcleos de torio simultáneamente con el láser, alrededor de un millón de veces más del número de estrellas que hay en nuestra galaxia."
El gran número de núcleos de torio amplifica el efecto, acorta el tiempo de medición necesario y aumenta la probabilidad de encontrar realmente la transición energética.
El 21 de noviembre de 2023, el equipo tuvo por fin éxito: se dio exactamente con la energía correcta de la transición del torio. Los núcleos de este emitieron por primera vez una señal clara. El rayo láser había cambiado realmente su estado. Tras un cuidadoso examen y evaluación de los datos, el resultado estaba listo para ser publicado.
El investigador del PTB Johannes Tideau, en el laboratorio láser del Instituto Nacional de Metrología de Braunschweig (PTB). Foto: PTB
"Para nosotros esto es un sueño hecho realidad— afirma Schumm. Desde 2009, este investigador 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 en los últimos años importantes éxitos parciales. "Por supuesto, estamos encantados de poder presentar ahora el avance decisivo: la primera excitación láser dirigida de un núcleo atómico", afirma Schumm.
El sueño del reloj de núcleo atómico.
Esto marca el comienzo de una nueva y emocionante era de investigación: ahora que el equipo sabe cómo excitar el estado del torio, esta tecnología se puede utilizar para mediciones de precisión. "Desde el principio, construir un reloj atómico fue un objetivo importante a largo plazo— confiesa Schumm. Y continúa—: 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 disponibles en la actualidad."
Pero no solo 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 proporcionaría pistas 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 solo el comienzo— afirma Schumm. "Y concluye—: Aún no podemos predecir qué resultados conseguiremos con ello. Sin duda será muy emocionante".
Información facilitada por la Universidad Técnica de Viena -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: J. Tiedau, M. V. Okhapkin, K. Zhang, J. Thielking, G. Zitzer, E. Peik, F. Schaden, T. Pronebner, I. Morawetz, L. Toscani De Col, F. Schneider, A. Leitner, M. Pressler, G. A. Kazakov, K. Beeks, T. Sikorsky, and T. Schumm. Laser Excitation of the Th-229 Nucleus. Physical Review Letter (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.182501
