Puntos clave
- Elevar el estado energético del núcleo de un átomo usando un láser, o excitarlo, permitiría el desarrollo de los relojes atómicos más precisos que jamás hayan existido. Esto ha sido difícil de hacer porque los electrones, que rodean al núcleo, reaccionan fácilmente con la luz, aumentando la cantidad de luz necesaria para llegar al núcleo.
- Al hacer que los electrones se unan con el flúor en un cristal transparente, los físicos de UCLA finalmente lograron excitar los neutrones en el núcleo de un átomo de torio usando una cantidad moderada de luz láser.
- Este logro significa que las mediciones de tiempo, gravedad y otros campos que actualmente se realizan usando electrones atómicos se pueden realizar con órdenes de magnitud de mayor precisión.
Durante casi 50 años, los físicos han soñado con los secretos que podrían desbloquear al elevar el estado energético del núcleo de un átomo usando un láser. El logro permitiría reemplazar los relojes atómicos actuales con un reloj nuclear que sería el reloj más preciso que jamás haya existido, permitiendo avances como la navegación y la comunicación en el espacio profundo. También permitiría a los científicos medir con precisión si las constantes fundamentales de la naturaleza son, de hecho, realmente constantes o simplemente parecen serlo porque aún no las hemos medido con la suficiente precisión.
Ahora, un esfuerzo liderado por Eric Hudson, profesor de física y astronomía en UCLA, ha logrado lo aparentemente imposible. Al incrustar un átomo de torio dentro de un cristal altamente transparente y bombardearlo con láseres, el grupo de Hudson ha logrado que el núcleo del átomo de torio absorba y emita fotones como lo hacen los electrones en un átomo. La asombrosa hazaña se describe en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters.
Esto significa que las mediciones de tiempo, gravedad y otros campos que actualmente se realizan usando electrones atómicos se pueden realizar con órdenes de magnitud de mayor precisión. La razón es que los electrones atómicos están influenciados por muchos factores en su entorno, lo que afecta la forma en que absorben y emiten fotones y limita su precisión. Los neutrones y protones, por otro lado, están unidos y altamente concentrados dentro del núcleo y experimentan menos perturbaciones ambientales.
Usando la nueva tecnología, los científicos pueden ser capaces de determinar si las constantes fundamentales, como la constante de estructura fina que establece la fuerza del poder que mantiene unidos a los átomos, varían. Las pistas de la astronomía sugieren que la constante de estructura fina podría no ser la misma en todas partes del universo o en todos los puntos del tiempo. Una medición precisa usando el reloj nuclear de la constante de estructura fina podría reescribir por completo algunas de estas leyes más básicas de la naturaleza.
“Las fuerzas nucleares son tan fuertes que la energía en el núcleo es un millón de veces más fuerte que lo que se ve en los electrones, lo que significa que si las constantes fundamentales de la naturaleza se desvían, los cambios resultantes en el núcleo son mucho mayores y más notables, haciendo que las mediciones sean órdenes de magnitud más sensibles”, dijo Hudson. “Usar un reloj nuclear para estas mediciones proporcionará la prueba más sensible de la “variación constante” hasta la fecha y es probable que ningún experimento durante los próximos 100 años lo supere”.
El grupo de Hudson fue el primero en proponer una serie de experimentos para estimular núcleos de torio-229 dopados en cristales con un láser, y ha pasado los últimos 15 años trabajando para lograr los resultados recientemente publicados. Conseguir que los neutrones en el núcleo atómico reaccionen a la luz láser es un desafío porque están rodeados de electrones, que reaccionan fácilmente a la luz y pueden reducir el número de fotones que realmente llegan al núcleo. Una partícula que ha elevado su nivel de energía, como a través de la absorción de un fotón, se dice que está en un estado “excitado”.
El equipo de UCLA incrustó átomos de torio-229 dentro de un cristal transparente rico en flúor. El flúor puede formar enlaces particularmente fuertes con otros átomos, suspendiendo los átomos y exponiendo el núcleo como una mosca en una telaraña. Los electrones estaban tan fuertemente unidos con el flúor que la cantidad de energía que se necesitaría para excitarlos era muy alta, permitiendo que la luz de menor energía llegara al núcleo. Los núcleos de torio podían entonces absorber estos fotones y volver a emitirlos, permitiendo que se detectara y midiera la excitación de los núcleos. Al cambiar la energía de los fotones y monitorear la tasa a la que los núcleos se excitan, el equipo fue capaz de medir la energía del estado excitado nuclear.
“Nunca hemos sido capaces de impulsar transiciones nucleares como esta con un láser antes”, dijo Hudson. “Si mantienes el torio en su lugar con un cristal transparente, puedes hablar con él con luz”.
Hudson dijo que la nueva tecnología podría encontrar usos en cualquier lugar donde se requiera una precisión extrema en la cronometraje en detección, comunicaciones y navegación. Los relojes atómicos existentes basados en electrones son aparatos de tamaño de habitación con cámaras de vacío para atrapar átomos y equipos asociados con el enfriamiento. Un reloj nuclear basado en torio sería mucho más pequeño, más robusto, más portátil y más preciso.
“A nadie le entusiasman los relojes porque no nos gusta la idea de que el tiempo sea limitado”, dijo. “Pero usamos relojes atómicos todo el tiempo todos los días, por ejemplo, en las tecnologías que hacen que nuestros teléfonos celulares y GPS funcionen”.
Más allá de las aplicaciones comerciales, la nueva espectroscopía nuclear podría retirar las cortinas de algunos de los mayores misterios del universo. La medición sensible del núcleo de un átomo abre una nueva forma de aprender sobre sus propiedades e interacciones con la energía y el medio ambiente. Esto, a su vez, permitirá a los científicos probar algunas de sus ideas más fundamentales sobre la materia, la energía y las leyes del espacio y el tiempo.
“Los humanos, como la mayor parte de la vida en la Tierra, existen a escalas demasiado pequeñas o demasiado grandes para observar lo que realmente podría estar sucediendo en el universo”, dijo Hudson. “Lo que podemos observar desde nuestra perspectiva limitada es una conglomeración de efectos a diferentes escalas de tamaño, tiempo y energía y las constantes de la naturaleza que hemos formulado parecen mantenerse en este nivel.
“¡Pero si pudiéramos observar con más precisión, estas constantes podrían variar en realidad! Nuestro trabajo ha dado un gran paso hacia estas mediciones y, de cualquier manera, estoy seguro de que nos sorprenderemos con lo que aprendamos”.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos.
“Durante muchas décadas, las mediciones cada vez más precisas de las constantes fundamentales nos han permitido comprender mejor el universo a todas las escalas y posteriormente desarrollar nuevas tecnologías que hacen crecer nuestra economía y fortalecen nuestra seguridad nacional”, dijo Denise Caldwell, directora adjunta en funciones de la Dirección de Ciencias Matemáticas y Físicas de la NSF, que proporcionó financiamiento para la investigación. “Esta técnica basada en el núcleo podría algún día permitir que los científicos midan algunas constantes fundamentales con tanta precisión que podríamos tener que dejar de llamarlas ‘constantes’”.
Revista
Physical Review Letters
