Os novos resultados sugerem a possibilidade de combinar a física quântica clássica e a física nuclear

Os físicos esperam por este momento há muito tempo: há muitos anos, cientistas de todo o mundo procuram um caso muito específico de núcleos atômicos de tório que prometa aplicações tecnológicas revolucionárias. Eles poderiam ser usados, por exemplo, para construir um relógio nuclear que pudesse medir o tempo com mais precisão do que os melhores relógios atômicos disponíveis atualmente. Também pode ser usado para responder a questões fundamentais completamente novas na física, por exemplo, a questão de saber se as constantes da natureza são realmente constantes ou se mudam no espaço e no tempo.

Agora essa esperança tornou-se realidade: a tão esperada transformação do tório foi descoberta e a sua energia é agora conhecida com precisão. Pela primeira vez, tornou-se possível usar lasers para mover um núcleo atômico para um estado de energia mais elevado 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 para alcançar este sucesso foi o desenvolvimento de cristais especiais contendo tório.

Agora uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Thorsten Schumm da TU Wien (Viena). Publicados Este sucesso está em colaboração 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 um laser é comum hoje em dia: se o comprimento de onda do laser for escolhido corretamente, átomos ou moléculas podem ser convertidos de um estado para outro. Desta forma, as energias dos átomos ou moléculas podem ser medidas com muita precisão. Muitas técnicas de medição precisas dependem disso, como os relógios atômicos atuais, bem como métodos de análise química. Os lasers também são frequentemente usados ​​em computadores quânticos para armazenar informações em átomos ou moléculas.

Contudo, durante muito tempo pareceu impossível aplicar estas técnicas aos núcleos atômicos.

“Um núcleo atômico também pode fazer a transição entre diferentes estados quânticos”, diz Schumm “No entanto, geralmente 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 átomo ou. molécula.” “É por isso que os núcleos atômicos não podem ser manipulados com laser. A energia dos fótons simplesmente não é suficiente.”

Isto é lamentável porque os núcleos atômicos são, na verdade, objetos quânticos ideais para medições precisas: são muito menores que átomos e moléculas e, portanto, menos suscetíveis a perturbações externas, como campos eletromagnéticos. Em princípio, permitirá medições com uma precisão sem precedentes.

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 por um laser, nomeadamente o tório-229. Este núcleo tem dois estados de energia tão próximos que um laser o faria. princípio ser suficiente para mudar o estado do núcleo atômico.

Mas, durante muito tempo, houve apenas evidências indiretas da existência desta mudança. “O problema é que é preciso conhecer a energia da transformação com muita precisão para poder criar a transformação com um feixe de laser”, diz Schumm.

“Conhecer a energia dessa transição com precisão de um elétron-volt não seria de muita utilidade se você tivesse que acessar a energia correta com uma precisão de um milionésimo de 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 extensão.

Truque do cristal de tório

Alguns grupos de pesquisa tentaram estudar núcleos de tório mantendo-os individualmente em armadilhas eletromagnéticas. No entanto, Shum e sua equipe escolheram uma abordagem 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 em colaboração com a equipe do PTB.

“Embora isto seja tecnicamente muito complexo, tem a vantagem de não só podermos estudar núcleos de tório individuais desta forma, mas também podemos atingir aproximadamente 10 elevado à potência de 17 núcleos de tório simultaneamente com um laser – ou seja, cerca de um milhão vezes.” Mais do que as estrelas da nossa galáxia.

O grande número de núcleos de tório amplifica o efeito, encurtando o tempo de medição necessário e aumentando a probabilidade de realmente encontrar a transição de energia.

Em 21 de novembro de 2023, a equipe finalmente conseguiu: a energia correta para a transição do tório foi alcançada com exatidão e os núcleos de tório enviaram um sinal claro pela primeira vez. O raio laser já mudou de estado. Após cuidadoso exame e avaliação dos dados, o resultado foi agora publicado.

“Para nós, este é um sonho que se tornou realidade”, diz Shum. Desde 2009, Schaum concentrou sua pesquisa inteiramente na pesquisa do transporte de 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 agora sermos capazes de realizar o avanço decisivo: a primeira excitação laser direcionada de um núcleo atômico”, diz Schumm.

Sonho com o 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, a técnica pode ser usada para fazer medições precisas. “Desde o início, construir um relógio atómico foi um objetivo importante a longo prazo”, diz Schumm.

“Semelhante à forma como um relógio de pêndulo usa a oscilação do pêndulo como cronômetro, a oscilação da luz que estimula a transmissão do tório poderia ser usada como cronômetro para um novo tipo de relógio que seria muito mais preciso do que o melhor relógio atômico. relógios disponíveis hoje.”

Mas não é apenas o tempo que pode ser medido desta forma com mais precisão do que antes. Por exemplo, o campo gravitacional da Terra pode ser analisado com tanta precisão que pode fornecer indicações de recursos minerais ou terremotos. O método de medição também pode ser usado para acessar mistérios fundamentais da física: as constantes da natureza são realmente constantes? Ou podem ser medidas pequenas mudanças ao longo do tempo?

“Nosso método de medição é apenas o começo”, diz Shum. “Ainda não podemos prever quais resultados alcançaremos com isso. Certamente será muito emocionante.”