- Físicos lograron por primera vez excitar directamente con láser la transición del torio-229, perseguida durante décadas, sentando una base experimental para tecnologías ultraprecisas como los relojes nucleares
- Las transiciones nucleares suelen requerir al menos 1,000 veces más energía que las transiciones electrónicas, pero el torio-229 se consideraba un candidato excepcional porque sus dos estados de energía están muy próximos
- Equipos de TU Wien y PTB irradiaron simultáneamente alrededor de 10^17 núcleos atómicos mediante un cristal especial que contenía una gran cantidad de átomos de torio, y el 21 de noviembre de 2023 obtuvieron una señal clara al ajustar con precisión la energía de transición
- Al confirmarse la energía de transición, ahora es posible elevar núcleos atómicos a un estado de mayor energía y seguir con precisión el proceso de regreso, abriendo una vía experimental que conecta la física cuántica clásica con la física nuclear
- Este logro podría derivar en un reloj nuclear más preciso que los mejores relojes atómicos actuales, en el análisis de campos gravitacionales y en experimentos de física fundamental para comprobar variaciones temporales y espaciales de constantes naturales
Primera inducción con láser de la transición del torio-229
- La transición del torio, buscada durante mucho tiempo por los físicos, fue inducida por primera vez a un estado excitado mediante un láser
- Ahora que se conoce con precisión la energía de transición, se puede seguir con gran detalle el proceso de llevar un núcleo atómico a un estado de mayor energía y luego verlo regresar a su estado original
- El resultado fue obtenido en conjunto por el equipo de Thorsten Schumm de TU Wien y el equipo del National Metrology Institute Braunschweig(PTB), y se publicó en Physical Review Letters
- El logro central es la primera excitación láser dirigida de un núcleo atómico
Por qué es difícil manipular núcleos atómicos
- Los átomos o moléculas pueden pasar de un estado cuántico a otro si se ajusta con precisión la longitud de onda del láser
- Hoy esto se usa en relojes atómicos, análisis químico y almacenamiento de información atómica y molecular en computadoras cuánticas
- Los núcleos atómicos también pueden pasar entre distintos estados cuánticos, pero por lo general requieren energías mucho más altas
- Las transiciones de estados nucleares suelen necesitar al menos 1,000 veces más energía que los electrones de átomos o moléculas
- Con la energía de los fotones de láseres comunes es difícil manipular núcleos atómicos
- Los núcleos atómicos son mucho más pequeños que los átomos o moléculas, por lo que son menos sensibles a perturbaciones externas como los campos electromagnéticos
- Por esta característica, en principio son adecuados para mediciones de precisión sin precedentes
La búsqueda de la energía de transición fue como encontrar una aguja
- Desde la década de 1970 existía la hipótesis de que el torio-229 podría ser un núcleo atómico especial manipulable con láser
- En el torio-229, dos estados de energía están muy próximos, por lo que, en principio, un láser podría bastar para cambiar el estado del núcleo atómico
- Para inducir la transición, es necesario conocer la energía de transición con una precisión extrema
- No basta con conocer la energía de transición a nivel de 1 electrón voltio
- Para detectar la transición, hay que ajustarla con una precisión de alrededor de una millonésima de electrón voltio
- El equipo comparó esta búsqueda con encontrar una aguja en un pajar, o un pequeño cofre del tesoro enterrado en una isla de kilómetros de largo
Cómo amplificaron la señal con un cristal especial
- Algunos equipos intentaron estudiar núcleos de torio fijándolos uno por uno en trampas electromagnéticas, pero el equipo de TU Wien desarrolló un cristal especial que contenía muchos átomos de torio
- Fabian Schaden y el equipo de PTB participaron en el desarrollo del cristal y en las mediciones
- Aunque es técnicamente complejo, permite irradiar simultáneamente una enorme cantidad de núcleos atómicos, no solo núcleos individuales
- El láser apuntó al mismo tiempo a alrededor de 10^17 núcleos atómicos de torio
- Es una cantidad aproximadamente un millón de veces mayor que el número de estrellas de nuestra galaxia
- La gran cantidad de núcleos amplifica el efecto, reduce el tiempo de medición necesario y aumenta la probabilidad de encontrar la transición real
- El 21 de noviembre de 2023, el equipo ajustó con precisión la energía correcta de la transición del torio y obtuvo por primera vez una señal clara desde los núcleos atómicos
- El haz láser efectivamente cambió el estado de los núcleos atómicos
- Tras revisar y evaluar los datos, se publicaron los resultados
Reloj nuclear y posibilidades de medición de precisión
- Al descubrir cómo excitar el estado del torio, esta tecnología puede usarse para mediciones de precisión
- Uno de los objetivos a largo plazo es construir un reloj nuclear
- Así como un reloj de péndulo usa la oscilación del péndulo como referencia de tiempo, la oscilación de la luz que excita la transición del torio podría usarse como referencia temporal de un nuevo reloj
- Este reloj podría ser mucho más preciso que los mejores relojes atómicos disponibles actualmente
- Más allá de medir el tiempo, también podría utilizarse para analizar con mayor precisión el campo gravitacional de la Tierra
- Podría aportar indicios sobre recursos minerales o terremotos
- Este método de medición también podría aplicarse a problemas de física fundamental, como si las constantes naturales son realmente constantes o si pueden medirse cambios diminutos con el paso del tiempo
- El equipo señaló que el método de medición actual es un punto de partida y que aún no es posible predecir qué resultados se obtendrán en el futuro
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Soy uno de los autores del paper; si tienen preguntas, puedo responderlas. Me alegra verlo por aquí.
Esta medición ya fue confirmada por otro grupo: https://arxiv.org/abs/2404.12311
Es importante porque las impurezas en el cristal usado en el experimento pueden generar todo tipo de fluorescencia que podría confundirse con la señal de iones de torio. Ahora que dos grupos vieron exactamente la misma señal en cristales dopados con torio distintos, se vuelve más convincente que hayan encontrado una transición nuclear real.
Es un poco raro que el nuevo paper no esté en arXiv y solo esté en el sitio web del grupo de investigación [1].
[1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
Dice: “Si se ajusta con precisión la longitud de onda del láser… tal vez sea posible manipular con un láser un núcleo atómico especial llamado torio-229. El 21 de noviembre de 2023, el equipo finalmente lo logró. Acertó la energía exacta de la transición del torio, y el núcleo de torio emitió por primera vez una señal clara”. Entonces me pregunté cuál era la longitud de onda.
La respuesta es 148.3821 nm. Claro, para mí tampoco es un número que signifique mucho. Me dio la sensación de que anunciaran en grandes titulares que encontraron el Malaysia Airlines MH-370 en algún mar del mundo, pero no dijeran la ubicación porque para la mayoría un número como “148.3821 km al sur-sureste de las Islas Cocos” no tendría sentido.
Si vemos la luz visible como una octava y suponemos que las “notas” de los colores se enrollan desde el rojo de vuelta al azul, correspondería a un azul una octava por encima del azul visible.
Pequeñas mejoras en tolerancias y materiales cambian mucho lo que es económicamente viable al final de la cadena ciencia-ingeniería-fabricación. “Fabricamos algo con mayor precisión” suele ser una gran noticia. Basta mirar los semiconductores: toda la industria genera un valor enorme a partir de la capacidad de mover átomos unos nanómetros mejor.
Que el artículo haya omitido el número clave parece un problema, pero en realidad el nivel que se espera del lector ya es bajo. Ese número podría llegar a valer más de 1 billón de dólares para la humanidad, pero creo que la mayoría lo tomaría como un dato curioso para contar en una fiesta.
Las longitudes de onda de los candidatos actuales https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 van de 750 nm a 250 nm. El estándar de frecuencia de cesio usa una longitud de onda de 32.6 mm, así que es unas 100,000 veces mayor que la de los estándares de frecuencia óptica.
Si miramos solo la frecuencia, no me queda claro por qué una transición nuclear de torio sería mucho mejor que una transición óptica, salvo que el punto central del interés sea extenderse a frecuencias más altas.
Así que, desde cierto punto de vista, se me ocurre la idea curiosa de que el fotón emitido cuando el estado nuclear vuelve al estado fundamental podría llamarse “ultravioleta gamma”.
https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
En la práctica nadie lo llamaría rayo gamma, pero es una idea divertida.
Si vemos el panorama general de la cromodinámica cuántica, resulta bastante impactante lo poco que realmente sabemos con certeza sobre la estructura interna del protón o sobre los nucleones.
Es la maldición de “sondear” con energías enormes. Es difícil estar 100% seguro de si estamos detectando algo que realmente existe ahí, o si estamos viendo subproductos de la enorme energía de colisión.
Los físicos son inteligentes y hacen cosas que yo no puedo hacer. Aun así, hay límites a la certeza, y en especial dentro del protón todavía operan primeros principios que desconocemos. Espero que llevar la precisión de los fotones y los láseres a este mundo de nucleones sea algo enorme.
Esto, a su vez, podría convertirse en una forma de sondear efectos de gravedad cuántica.
1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay
Me alegra ver que esto haya ocurrido de verdad. Cuando intenté hacerlo antes con iones atrapados, mis colegas de GaTech y yo fuimos los primeros en atrapar y enfriar con láser Th(232) 3+
https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...
La parte que dice que “también podría analizar el campo gravitatorio de la Tierra con mucha más precisión para dar indicios de recursos minerales o de terremotos” ¿no tiene también aplicaciones militares?
Podría usarse como reemplazo del GPS en submarinos nucleares
https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
https://news.ycombinator.com/item?id=36222625
Según el artículo, la luz es de unos 140 nm, es decir, UV-C cerca de 8.4 eV. Pero para provocar la transición, la energía tiene que coincidir con muchísima precisión. Es porque el estado nuclear no tiene dónde descartar la energía sobrante
La relación de incertidumbre suele escribirse como delta-p delta-x > hbar/2, pero también puede escribirse como delta-t delta-E > hbar/2. Por eso, si la vida media es muy larga, delta-E puede volverse muy pequeño
Este hecho se usa en la espectroscopía Mössbauer, es decir, en la emisión gamma sin retroceso en sólidos. Como el pico es tan estrecho, Pound y Rebka lo usaron para detectar el corrimiento al rojo gravitacional en un laboratorio de Harvard en 1960, y en 1964 llegaron a una precisión del 1%
https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
El único otro estado excitado atómico que conozco es el estado excitado del hierro usado en la espectroscopía Mössbauer, y esa transición tiene una energía mucho más alta. Además, allí hay cierta combinación con los estados electrónicos del núcleo. También me pregunto si hay alguna razón especial por la que esta transición del torio no se acople con los estados electrónicos
Dicen que “analizar con mucha precisión el campo gravitatorio de la Tierra puede dar indicios de recursos minerales”, y me pregunto cómo es posible
Alguna vez pensé en una idea estilo ciencia ficción: que con una medición del campo gravitatorio suficientemente sensible se pudiera detectar un submarino que pasa. No estoy seguro de las matemáticas, pero si fuera posible, podría neutralizar una parte considerable de la estrategia nuclear. Tendría que ponerme a revisar los números
El péndulo de Eötvös, o balanza de torsión de Eötvös, diseñado en 1888, inició este tipo de mediciones. En la década de 1920, los geofísicos lo usaban con frecuencia para medir con mucha precisión el gradiente del campo gravitatorio y mapear depósitos subterráneos
Después fue reemplazado por mejores equipos de exploración. Este aparato fue creado originalmente para un experimento que demostraba con muy alta precisión que la masa inercial y la masa gravitatoria son iguales; más exactamente, que tienen una correlación lineal
https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
https://www.nature.com/articles/118406a0
Detectar submarinos es mucho más difícil y, como ya dijeron otros, en la práctica es imposible
Si no recuerdo mal, la Royal Navy lo probó oficialmente por primera vez el año pasado
Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
El alcance de detección es bastante corto, pero suficiente como para usarse incluso desde aeronaves que vuelan por encima
Este logro es un paso hacia el objetivo de crear un reloj atómico que use torio-229, y además es el paso más importante
Me han dicho que este sueño es imposible, pero si tuviera que gastar uno de mis deseos de genio, elegiría eso. Hoy se fragmentan a lo largo de media tabla periódica y generan todo tipo de dolores de cabeza
Ahora no tengo tiempo para escribir en detalle, pero esta es una noticia realmente emocionante
Encontrar la línea del torio era uno de los problemas abiertos más importantes en las mediciones de precisión y fundamentales