Os físicos identificaram e manipularam com sucesso um estado específico do núcleo atômico do tório usando um laser. Esta descoberta permite a fusão da física quântica clássica e da física nuclear, prometendo avanços em tecnologias de medição de precisão e física fundamental, incluindo o desenvolvimento potencial de um relógio nuclear que supera em precisão os relógios atômicos atuais. Um feixe de laser atinge núcleos de tório, embutidos em um cristal. Crédito: TU Viena
Pela primeira vez, os lasers estimularam com sucesso a “transição do tório”, um processo há muito perseguido pelos pesquisadores. Este avanço prepara o terreno para avanços inovadores em tecnologias de alta precisão, como relógios nucleares.
Os físicos anteciparam ansiosamente esta descoberta: cientistas de todo o mundo passaram anos à procura de um estado específico de núcleos atómicos de tório que pudesse levar a avanços tecnológicos inovadores.
Poderia ser usado, por exemplo, para construir um relógio nuclear que pudesse medir o tempo com mais precisão do que os melhores relógios atômicos disponíveis atualmente. Também poderia ser usado para responder a questões fundamentais completamente novas em física – por exemplo, a questão de saber se as constantes da natureza são realmente constantes ou se mudam no espaço e no tempo.
Agora esta esperança tornou-se realidade: a tão procurada transição do tório foi encontrada, a sua energia é agora conhecida com exactidão. Pela primeira vez, foi possível usar um laser para transferir um núcleo atômico para um estado de energia mais elevada e depois rastrear com precisão o seu retorno ao seu estado original. Isto torna possível combinar duas áreas da física que antes tinham pouco a ver uma com a outra: a física quântica clássica e a física nuclear. Um pré-requisito crucial para este sucesso foi o desenvolvimento de cristais especiais contendo tório. Uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Thorsten Schumm da TU Wien (Viena) publicou agora este sucesso junto com uma equipe do Instituto Nacional de Metrologia de Braunschweig (PTB) na revista Cartas de revisão física.
Mudando estados quânticos
Manipular átomos ou moléculas com lasers é comum hoje em dia: se o comprimento de onda do laser for escolhido exatamente da maneira certa, átomos ou moléculas podem ser transferidos de um estado para outro. Desta forma, as energias dos átomos ou moléculas podem ser medidas com muita precisão. Muitas técnicas de medição de precisão são baseadas nisso, como os relógios atômicos atuais, mas também métodos de análise química. Os lasers também são frequentemente usados em computadores quânticos para armazenar informações em átomos ou moléculas.
Pesquisador do PTB Johannes Tiedau no laboratório de laser. Crédito: PTB Braunschweig
Durante muito tempo, porém, pareceu impossível aplicar essas técnicas aos núcleos atômicos. “Os núcleos atômicos também podem alternar entre diferentes estados quânticos. No entanto, normalmente é necessária muito mais energia para mudar um núcleo atômico de um estado para outro – pelo menos mil vezes a energia dos elétrons em um estado. átomo ou uma molécula”, diz Thorsten Schumm. “É por isso que normalmente os núcleos atômicos não podem ser manipulados com lasers. A energia dos fótons simplesmente não é suficiente.”
Isto é lamentável, porque os núcleos atómicos são, na verdade, os objectos quânticos perfeitos para medições de precisão: são muito mais pequenos do que átomos e moléculas e são, portanto, muito menos susceptíveis a perturbações externas, como campos electromagnéticos. Em princípio, permitiriam, portanto, medições com resultados sem precedentes. precisão.
A agulha no palheiro
Desde a década de 1970, tem havido especulação de que poderia haver um núcleo atômico especial que, ao contrário de outros núcleos, talvez pudesse ser manipulado com um laser, nomeadamente o tório-229. Este núcleo tem dois estados de energia muito próximos – tão próximos que um laser deveria, em princípio, ser suficiente para alterar o estado do núcleo atômico.
Thorsten Schumm (TU Wien, Viena) segurando um de seus cristais. Crédito: Foto Wilke
Durante muito tempo, porém, houve apenas evidências indiretas da existência desta transição. “O problema é que é necessário conhecer a energia da transição com extrema precisão para poder induzir a transição com um feixe de laser”, diz Thorsten Schumm. “Conhecer a energia dessa transição com precisão de um elétron-volt é de pouca utilidade, se você tiver que atingir a energia certa com uma precisão de um milionésimo de um elétron-volt para detectar a transição.” É como procurar uma agulha num palheiro – ou tentar encontrar um pequeno baú de tesouro enterrado numa ilha com um quilómetro de comprimento.
O truque do cristal de tório
Alguns grupos de pesquisa tentaram estudar núcleos de tório mantendo-os individualmente em armadilhas eletromagnéticas. No entanto, Thorsten Schumm e sua equipe escolheram uma técnica completamente diferente. “Desenvolvemos cristais nos quais está incorporado um grande número de átomos de tório”, explica Fabian Schaden, que desenvolveu os cristais em Viena e os mediu junto com a equipe do PTB. “Embora isto seja tecnicamente bastante complexo, tem a vantagem de não só podermos estudar núcleos de tório individuais desta forma, mas também de atingir aproximadamente dez elevado à potência de dezassete núcleos de tório simultaneamente com o laser – cerca de um milhão de vezes mais do que há estrelas. em nossa galáxia.” O grande número de núcleos de tório amplifica o efeito, encurta o tempo de medição necessário e aumenta a probabilidade de realmente encontrar a transição de energia.
Em 21 de novembro de 2023, a equipe finalmente teve sucesso: a energia correta da transição do tório foi atingida com exatidão, os núcleos de tório emitiram um sinal claro pela primeira vez. O raio laser realmente mudou de estado. Após cuidadoso exame e avaliação dos dados, o resultado foi agora publicado.
“Para nós, este é um sonho que se torna realidade”, afirma Thorsten Schumm. Desde 2009, Schumm concentrou sua pesquisa inteiramente na busca pela transição do tório. Seu grupo, bem como equipes concorrentes de todo o mundo, alcançaram repetidamente importantes sucessos parciais nos últimos anos. “É claro que estamos muito satisfeitos por sermos agora aqueles que podemos apresentar o avanço crucial: a primeira excitação laser direcionada de um núcleo atômico”, diz Schumm.
O sonho do relógio do núcleo atômico
Isto marca o início de uma nova e emocionante era de investigação: agora que a equipa sabe como excitar o estado do tório, esta tecnologia pode ser utilizada para medições de precisão. “Desde o início, construir um relógio atómico foi um objetivo importante a longo prazo”, diz Thorsten Schumm. “Semelhante à forma como um relógio de pêndulo usa a oscilação do pêndulo como cronômetro, a oscilação da luz que excita a transição do tório poderia ser usada como cronômetro para um novo tipo de relógio que seria significativamente mais preciso do que os melhores relógios atômicos. disponível hoje.”
Mas não é apenas o tempo que poderia ser medido desta forma com muito mais precisão do que antes. Por exemplo, o campo gravitacional da Terra poderia ser analisado com tanta precisão que poderia fornecer indicações de recursos minerais ou terremotos. O método de medição também poderia ser usado para chegar ao fundo dos mistérios fundamentais da física: as constantes da natureza são realmente constantes? Ou será que pequenas mudanças podem ser medidas ao longo do tempo? “Nosso método de medição é apenas o começo”, diz Thorsten Schumm. “Ainda não podemos prever quais resultados alcançaremos com isso. Certamente será muito emocionante.”
Referência: “Excitação a laser do núcleo Th-229” por J. Tiedau, MV Okhapkin, K. Zhang, J. Thielking, G. Zitzer, E. Peik, F. Schaden, T. Pronebner, I. Morawetz, L.S. De Col, F. Schneider, A. Leitner, M. Pressler, GA Kazakov, K. Beeks, T. Sikorsky e T. Schumm, 29 de abril de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.182501
