Desde relojes atómicos hasta comunicaciones seguras y computadoras cuánticas: estos desarrollos se basan en un control cada vez mejor del comportamiento cuántico de los electrones en las capas atómicas con la ayuda de la luz láser. Ahora, por primera vez, físicos del Instituto Max Planckde Física Nuclear en Heidelberg han logrado controlar con precisión los saltos cuánticos en núcleos atómicos utilizando luz de rayos X. En comparación con los sistemas de electrones, los saltos cuánticos nucleares son extremos, con energías hasta millones de veces más altas y procesos de zeptosegundos increíblemente cortos. Un zeptosegundo esuna billonésima de una billonésima de segundo. Las recompensas incluyen una visión profunda del mundo cuántico, relojes nucleares ultraprecisos y baterías nucleares con una enorme capacidad de almacenamiento. El experimento requirió una sofisticada instalación de destellos de rayos X desarrollada por un grupo de Heidelberg dirigido porJörg Evers como parte de una colaboración internacional.
Uno de los grandes éxitos de la física moderna es el control cada vez más preciso de los procesos cuánticos dinámicos. Permite una comprensión más profunda del mundo cuántico con todas sus rarezas y también es una fuerza impulsora de las nuevas tecnologías cuánticas. Pero desde la perspectiva delátomos, el "control coherente" ha permanecido hasta ahora superficial: es el salto cuántico de los electrones en la capa exterior de los átomos lo que se ha vuelto cada vez más controlable por láser. Pero como explica Christoph Keitel, los núcleos atómicos en sí mismos son también sistemas cuánticos enque los bloques de construcción nuclear pueden hacer saltos cuánticos entre diferentes estados cuánticos.
Saltos cuánticos ricos en energía para baterías nucleares
"Además de esta analogía con las capas de electrones, existen enormes diferencias", explica el Director del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg: "¡Nos tienen tan emocionados!" Los saltos cuánticos entre diferentes estados cuánticos son en realidadsalta en una especie de escalera de energía. "Y las energías de estos saltos cuánticos son a menudo seis órdenes de magnitud mayores que en la capa de electrones", dice Keitel. Un solo salto cuántico realizado por un componente nuclear puede aumentar hasta un millón de vecesmás energía en él, o sacarlo de nuevo. Esto ha dado lugar a la idea de baterías nucleares con una capacidad de almacenamiento sin precedentes.
Estas aplicaciones técnicas son todavía visiones del futuro. En este momento, la investigación implica abordar y controlar estos saltos cuánticos de una manera específica. Esto requiere luz de rayos X de alta energía controlada con precisión. El equipo de Heidelberg ha estado trabajando en talesuna técnica experimental durante más de 10 años. Ahora se ha utilizado por primera vez.
Las frecuencias precisas permiten relojes atómicos ultraprecisos
Los estados cuánticos de los núcleos atómicos ofrecen otra ventaja importante sobre los estados electrónicos. En comparación con los saltos cuánticos electrónicos, están mucho más definidos. Debido a que esto se traduce directamente en frecuencias más precisas de acuerdo con las leyes de la física, pueden, en principio, podría utilizarse para mediciones extremadamente precisas. Por ejemplo, esto podría permitir el desarrollo de relojes nucleares ultraprecisos que harían que los relojes atómicos actuales parezcan relojes de péndulo anticuados. Además de las aplicaciones técnicas de dichos relojes por ejemplo, en la navegación, podríanPuede utilizarse para examinar los fundamentos de la física actual con mucha más precisión. Esto incluye la cuestión fundamental de si las constantes de la naturaleza son realmente constantes. Sin embargo, estas técnicas de precisión requieren el control de las transiciones cuánticas en los núcleos.
Los destellos de luz coordinados mejoran o reducen la excitación
El principio de la técnica experimental de Heidelberg parece bastante simple al principio. Utiliza pulsos es decir, destellos de luz de rayos X de alta energía, que actualmente son proporcionados por la Fuente de Radiación Sincrotrón Europea ESRF en Grenoble. El experimento divide estos X-rayos de pulsos en una primera muestra de tal manera que un segundo pulso sigue detrás del resto del primer pulso con un retardo de tiempo. Uno tras otro, ambos encuentran una segunda muestra, el objeto real de investigación.
El primer pulso es muy breve y contiene una amplia mezcla de frecuencias. Como un disparo de escopeta, estimula un salto cuántico en los núcleos; en el primer experimento, este fue un estado cuántico especial en núcleos de átomos de hierro. El segundo pulsoes mucho más largo y tiene una energía que se ajusta con precisión al salto cuántico. De esta manera, puede manipular específicamente la dinámica cuántica desencadenada por el Pulso 1. El intervalo de tiempo entre los dos pulsos se puede ajustar. Esto permite al equipo ajustar siel segundo pulso es más constructivo o destructivo para el estado cuántico.
Los físicos de Heidelberg comparan este mecanismo de control con un swing. Con el primer pulso, lo empujas. Dependiendo de la fase de su oscilación en la que le das un segundo empujón, oscila aún más fuerte o se ralentiza.
control de pulso con precisión de unos pocos zeptosegundos
Pero lo que suena simple es un desafío técnico que requirió años de investigación. Un cambio controlado en la dinámica cuántica de un núcleo atómico requiere que el retraso del segundo pulso sea estable en una escala de tiempo inimaginablemente corta de unos pocos zeptosegundos. Porque sololuego, los dos pulsos trabajan juntos de manera controladora.
Un zeptosegundo es una billonésima de una milmillonésima de segundo, o un punto decimal seguido de 20 ceros y un 1. En un zeptosegundo, la luz ni siquiera logra atravesar el uno por ciento de un átomo de tamaño mediano. ¿Cómo¿Puedes imaginarte esto en relación con nuestro mundo? "Si imaginas que un átomo es tan grande como la Tierra, serían unos 50 km, dice Jörg Evers, quien inició el proyecto.
La muestra se desplaza 45 billonésimas de metro
El segundo pulso de rayos X se retrasa por un pequeño desplazamiento de la primera muestra, que también contiene núcleos de hierro con la transición cuántica adecuada. "Los núcleos almacenan selectivamente energía del primer pulso de rayos X durante un corto período de tiempo durante el cualla muestra se desplaza rápidamente en aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz de rayos X ", explica Thomas Pfeifer, director del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg. Esto corresponde a unas 45 billonésimas de metro. Después de este pequeño movimiento, la muestraemite el segundo pulso.
Los físicos comparan su experimento con dos diapasones que se encuentran a diferentes distancias de un petardo Figura 2. El golpe primero golpea el diapasón más cercano, haciéndolo vibrar, y luego pasa al segundo diapasón. Mientras tanto, el primer diapasón, ahora excitado, emite ondas sonoras él mismo, que llegan con un retardo al segundo tenedor. Dependiendo del tiempo de retardo, este sonido amplifica o amortigua las vibraciones del segundo tenedor, al igual que el segundo empujónla oscilación, así como para el caso de los núcleos excitados.
Con este experimento, Jörg Evers, Christoph Keitel y Thomas Pfeifer y su equipo del Instituto Max Planck de Física Nuclear en cooperación con investigadores de DESY en Hamburgo y el Instituto Helmholtz / Universidad Friedrich Schiller en Jena tuvieron éxito por primera vez endemostrando un control coherente de las excitaciones nucleares. Además de las instalaciones de sincrotrón como las del ESRF, los láseres de electrones libres FEL como el XFEL europeo en DESY han proporcionado recientemente potentes fuentes de radiación de rayos X, incluso encalidad. Esto abre un futuro dinámico para el campo emergente de la óptica cuántica nuclear.
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