Los científicos han logrado un gran avance que nos acerca un paso más al desarrollo de un reloj nuclear, un dispositivo que mantiene el tiempo basándose en el funcionamiento interno de átomos.
Por primera vez, los físicos han utilizado luz láser para elevar el núcleo de un átomo de torio a un nivel de energía más alto. El descubrimiento allana el camino para el desarrollo de un nuevo reloj cuyos tictac no sólo son más precisos sino que pueden sondear las fuerzas más fundamentales del universo.
Los investigadores publicaron sus hallazgos el 29 de abril en la revista Cartas de revisión física.
“Ver la primera señal fue un sueño hecho realidad”, dijo a WordsSideKick.com el investigador principal Thorsten Schumm, profesor de metrología cuántica en la Universidad Tecnológica de Viena. “[It’s] la recompensa por muchos años de preparación, al mismo tiempo que dudamos de que esto funcione alguna vez”.
Ya era hora
Actualmente, nuestro Los relojes más precisos son atómicos. y mantenga el tiempo disparando láseres a los electrones, haciendo coincidir la frecuencia del láser con los saltos precisos a través de los niveles de energía que hace que realicen los electrones que orbitan los átomos. Este método proporciona a los científicos una medición ultraprecisa de la frecuencia del láser, de la que pueden extraer el “tictac” del reloj atómico.
Sin embargo, los relojes atómicos están lejos de ser perfectos. Los electrones de los que dependen para mantener el tiempo se encuentran fuera de los átomos. Por lo tanto, son vulnerables a la interferencia de animales perdidos. campos magnéticos u otros efectos ambientales que pueden alterar sutilmente sus niveles de energía, la frecuencia de la luz láser a la que responden posteriormente y, por tanto, el tiempo que mantienen.
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Un reloj nuclear, por otro lado, utilizaría las transiciones de energía de los núcleos dentro del corazón de un átomo, de modo que estén protegidos de interferencias externas. Pero muchas de las brechas entre los niveles de energía de los núcleos son miles de veces mayores que las de los electrones, lo que significa que son demasiado grandes para cruzarlas con la energía de un láser.
Pero en la década de 1970, los científicos descubrieron que un isótopo, o versión, del elemento torio (torio-229) parecía tener un nivel de energía que podía abarcarse con luz láser.
Pero encontrar esta brecha energética precisa no ha sido una tarea sencilla. Inicialmente, los investigadores excitaron el torio-229 a un nivel de energía muy superior a los dos que realmente interesaban a los físicos. Luego midieron las sutiles diferencias en la energía de la luz emitida cuando volvía a descender al superior en comparación con la que estaba justo debajo. .
Los investigadores han comparado este proceso con encontrar la altura de una acera dejando caer bolas desde un rascacielos: las diferencias sutiles en las alturas de rebote cuando la pelota golpea la calle y cuando golpea la acera pueden ayudarlos a concentrarse en la pequeña distancia entre ellas.
Durante los últimos 50 años, las investigaciones han reducido la energía necesaria para provocar que este nivel de energía salte al pequeñas fracciones de un electrón voltio — pero esta precisión todavía no era suficiente.
“La teoría nos dice que estaba en algún lugar en el rango de energía entre 0 eV y 10 eV, pero necesitamos alcanzar la frecuencia correcta con una precisión de 7 a 8 dígitos para causar un efecto”, dijo Schumm. “Escanear todo el rango de búsqueda llevaría milenios, por lo que tuvimos que reducir el rango de búsqueda durante muchos años de experimentos preparatorios”.
Para finalmente precisar el valor preciso, Schumm y su equipo atraparon alrededor de 10 elevado a 17 núcleos de torio-229 (o un millón de veces más núcleos que estrellas en nuestra galaxia) dentro de cristales de fluoruro de calcio, lo que incrementó considerablemente la probabilidad de encontrar la transición deseada. Después de muchos intentos, los investigadores observaron directamente un átomo de torio saltando entre los niveles de energía: un cambio de energía de 8,35574 electronvoltios.
Los investigadores señalan que se necesitarán muchos más años para desarrollar relojes nucleares con la misma precisión que sus homólogos atómicos. Pero con esta transición finalmente detectada, la ventana finalmente se abrió y podría permitir a los físicos investigar más profundamente la naturaleza esquiva de la energía oscura, la materia oscura y las fuerzas fundamentales de nuestro universo.
“El reloj nuclear proporcionará una medición extremadamente precisa de la diferencia de energía entre dos estados unidos del núcleo”, afirmó Schumm. “Estas dos energías vinculantes son el resultado de tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la física: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Esto contrasta con todos los relojes atómicos, que dependen únicamente del electromagnetismo. Si una de Estas tres fuerzas fundamentales cambian en función del tiempo o de la ubicación en el espacio, el reloj nuclear debería verlo”.
