El núcleo de torio-229 posee una propiedad única entre todos los nucleidos conocidos: debería ser posible excitarlo con luz ultravioleta. Hasta la fecha, se sabe poco sobre el estado de baja energía del núcleo Th-229 quees responsable de esta propiedad. Junto con sus colegas de Munich y Mainz, los investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB han realizado las primeras mediciones, utilizando métodos ópticos, de algunas propiedades importantes de este estado nuclear, comola forma de su distribución de carga. De esta manera, se puede monitorear una excitación láser del núcleo atómico, permitiendo así que un reloj nuclear óptico se dé cuenta de que "marca" con más precisión que los relojes atómicos actuales. Los científicos han informado sus resultadosen la edición actual de Naturaleza .
Hace unos 15 años, Ekkehard Peik y Christian Tamm estaban desarrollando el concepto de un nuevo reloj atómico que tenía propiedades únicas en PTB en Braunschweig: en lugar de una frecuencia de transición entre dos estados en la capa de electrones que se usaba como pulsogenerador de su reloj, como es el caso en todos los relojes atómicos en uso hoy en día, previeron el uso de una frecuencia de transición en el núcleo. Debido a que los protones y los neutrones en el núcleo están empaquetados más densamente que los electrones en la capa atómica en varios órdenes demagnitud, reaccionan con menos sensibilidad a las perturbaciones externas que pueden cambiar sus frecuencias de transición, proporcionando así buenas condiciones para un reloj de alta precisión.
Sin embargo, las frecuencias de las transiciones nucleares también son mucho más altas que las de las transiciones de caparazón en el rango de rayos X; por esta razón, no se pueden usar para relojes atómicos, que, hasta la fecha, se han basado exclusivamente en microondas oluz láser. La única excepción conocida, y la base de la propuesta de PTB, es el núcleo de torio 229. Este núcleo posee un estado nuclear isomérico cuasi-estable con una energía de excitación excepcionalmente baja. Por lo tanto, existe una transición entre el estado fundamental yeste isómero, que se encuentra en el rango de frecuencia de la luz ultravioleta y, por lo tanto, está al alcance de la tecnología láser que es similar a la utilizada en los relojes atómicos ópticos actuales.
Más de diez grupos de investigación en todo el mundo están trabajando actualmente en proyectos relacionados con la viabilidad de un reloj nuclear de torio-229. En términos experimentales, este problema ha demostrado ser extremadamente difícil. Por esta razón, hasta el momento no se ha logrado ningún éxitoal observar la transición nuclear utilizando métodos ópticos, ya que el conocimiento de la energía de excitación precisa del isómero ha sido solo aproximado. "Como se desea para el reloj, la resonancia de la transición es extremadamente aguda y solo puede observarse si la frecuencia del láserla luz coincide exactamente con la diferencia de energía de ambos estados. Por lo tanto, el problema se asemeja a la búsqueda proverbial de una aguja en un pajar ", como lo expresa sucintamente el Dr. Peik.
En 2016, los socios de cooperación del Dr. Peik en Ludwig-Maximilians-Universität LMU en Munich informaron sobre su primer avance en la naturaleza: por primera vez, pudieron probar la transición nuclear dentro del núcleo de torio-229, inclusoaunque los métodos que utilizaron eran muy diferentes de los utilizados para un reloj atómico.
Este proyecto de investigación colaborativa, que, además de los científicos de PTB y LMU, también incluye a científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, el Instituto Helmholtz Mainz y GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt, ha dado otro paso decisivo: por primera vez, ha sido posible medir propiedades básicas como el tamaño y la forma de la distribución de carga en el estado excitado del núcleo Th-229. Para este fin, los núcleos Th-229 no se excitaron desde su estado fundamental comoocurrirá en el futuro en el reloj, en cambio, en un dispositivo desarrollado por LMU, se obtuvieron en estado excitado a partir de la desintegración alfa del uranio-233, se ralentizaron y se almacenaron como iones Th2 + en una trampa de iones.Los grupos de Mainz y Darmstadt proporcionaron una fuente adecuada para este propósito. Mediante los sistemas láser desarrollados en PTB para la espectroscopía de estos iones, fue posible medir con precisión las frecuencias de transición en la capa de electrones.Debido a que estas frecuencias están directamente influenciadas por las propiedades nucleares, pueden usarse para obtener información sobre estas propiedades.Hasta la fecha, los modelos basados únicamente en la teoría no han podido predecir cómo se comportará la estructura del núcleo Th-229 durante esta transición inusualmente baja en energía.Además, debido a que la estructura de la capa de electrones es más fácil de medir utilizando la espectroscopía, es posible usarla para demostrar una excitación láser del núcleo.
Sin embargo, incluso si esto no significa que se ha completado la búsqueda de la frecuencia de resonancia óptica del núcleo Th-229 la "aguja en el pajar", ahora sabemos cómo se ve realmente la aguja, lo que nos proporciona unpaso significativo más cerca del reloj atómico óptico. es / ptb
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Materiales proporcionado por Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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