Los relojes atómicos que excitan los núcleos de torio-229 cuando son impactados por un rayo láser incrustado en un cristal transparente podrían realizar las mediciones más precisas del tiempo y la gravedad e incluso reescribir algunas de las leyes fundamentales de la física. Los cristales dopados con torio-229 son escasos y radiactivos. Una película delgada que utiliza un precursor seco de torio-229 muestra la misma excitación atómica que un cristal, pero su bajo costo, su radioactividad y su pequeño tamaño significan que su producción se puede convertir más fácilmente en relojes atómicos más pequeños, menos costosos y más portátiles. .
Este verano, físicos de la UCLA lograron que el núcleo de un átomo de torio-229 incrustado en un cristal transparente absorbiera y emitiera fotones similares a los electrones, poniendo fin a décadas de especulaciones sobre si tal hazaña era posible. El uso de un láser para elevar el estado energético del núcleo de un átomo, o excitarlo, permitiría desarrollar el reloj atómico más preciso jamás creado y las mediciones más precisas del tiempo y la gravedad. Un reloj atómico de este tipo podría incluso reescribir algunas de las leyes fundamentales de la física.
Pero hay un problema: los cristales dopados con torio-229 son escasos y radiactivos. En un nuevo artículo publicado la naturalezaUn equipo de químicos y físicos de la UCLA puede resolver ese problema desarrollando películas delgadas hechas de precursores de torio-229 que requieren mucho menos torio-229 y son tan radiactivas como los plátanos. Utilizando estas películas, mostraron la misma excitación nuclear impulsada por láser necesaria para los relojes atómicos. La producción de la película se puede ampliar para su uso en otras aplicaciones de óptica cuántica, no solo en relojes atómicos.
En lugar de incrustar un átomo de torio puro en un cristal a base de flúor, el nuevo método utiliza un material parental de nitrato seco de torio-229 disuelto en agua ultrapura y pipeteado en un crisol. La adición de fluoruro de hidrógeno produce unos pocos microgramos de precipitado de torio-229 que se separa del agua y se calienta hasta que se evapora y se condensa de manera desigual sobre superficies transparentes de zafiro y fluoruro de magnesio.
La luz del sistema láser ultravioleta de vacío se dirigió al objetivo, donde excitó el estado nuclear como se informó en investigaciones anteriores de la UCLA, y el núcleo emitió fotones posteriores.
Coautor y Charles W. “Una ventaja clave de utilizar un solo elemento, el fluoruro de torio, es que todos los núcleos de torio se encuentran en el mismo ambiente nuclear local y experimentan el mismo campo eléctrico en el núcleo”, dice Clifford Jr., profesor de química y bioquímica, y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UCLA, Anastasia Alexandrova “Esto hace que todo el torio exhiba la misma energía de excitación, lo que genera un reloj estable y más preciso. Por eso el material es único.”
En el centro de cada reloj hay un oscilador. El reloj funciona determinando cuánto tiempo le toma al oscilador realizar un cierto número de oscilaciones. En un reloj de pie, un segundo se puede definir como el tiempo que tarda el péndulo en retroceder una vez; En el oscilador de cuarzo de un reloj de pulsera, esto suele ser de unas 32.0000 vibraciones del cristal.
En un reloj atómico de torio, un segundo equivale aproximadamente a 2.020.407.300.000.000 de ciclos de excitación y relajación del núcleo. Esta tasa de tics más alta puede hacer que el reloj sea más preciso, si la tasa de tics es estable; Si la velocidad del tick cambia, el reloj medirá el tiempo incorrectamente. Las películas delgadas descritas en este trabajo proporcionan un entorno estable para núcleos que se fabrican fácilmente y tienen el potencial de usarse para crear dispositivos microfabricados. Esto puede permitir el uso generalizado de relojes atómicos porque los hace más baratos y fáciles de fabricar.
Los relojes atómicos existentes basados en electrones son contracciones del tamaño de una célula con cámaras de vacío que atrapan átomos y equipos asociados con el enfriamiento. Un reloj atómico basado en torio sería mucho más pequeño, más robusto, más portátil y más preciso.
Más allá de las aplicaciones comerciales, la nueva espectroscopia nuclear podría abrir el telón sobre algunos de los mayores misterios del universo. La medición sensible del núcleo de un átomo abre una nueva forma de conocer sus propiedades e interacciones con la energía y el medio ambiente. Esto, a su vez, permitirá a los científicos poner a prueba algunas de sus ideas fundamentales sobre la materia, la energía y las leyes del espacio y el tiempo.