Se ha abierto una nueva puerta al mundo cuántico: cuando un átomo absorbe o libera energía a través del salto cuántico de un electrón, se vuelve más pesado o más ligero. Esto puede explicarse por la teoría de la relatividad de Einstein E = mc2. Sin embargo, el efecto es minúsculo para un solo átomo. Sin embargo, el equipo de Klaus Blaumand Sergey Eliseev del Instituto Max Planck de Física Nuclear ha medido con éxito este cambio infinitesimal en la masa de átomos individuales por primera vez. Para lograr esto,utilizaron el equilibrio atómico Pentatrap ultra preciso en el Instituto de Heidelberg. El equipo descubrió un estado cuántico previamente no observado en renio, que podría ser interesante para futuros relojes atómicos. Sobre todo, este equilibrio atómico extremadamente sensible permite una mejor comprensión del complejomundo cuántico de átomos pesados.
Sorprendente, pero cierto: si enrollas un reloj mecánico, se vuelve más pesado. Lo mismo sucede cuando cargas tu teléfono inteligente. Esto se puede explicar por la equivalencia de energía E y masa m, que Einstein expresó enLa fórmula más famosa en física: E = mc 2 c: velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, este efecto es tan pequeño que elude por completo nuestra experiencia cotidiana. Un equilibrio convencional no podría detectarlo.
Pero en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, hay un equilibrio que puede: Pentatrap. Puede medir el cambio minúsculo en la masa de un solo átomo cuando un electrón en él absorbe o libera energía a través de un salto cuántico, por lo tantoabriendo un nuevo mundo para la física de precisión. Tales saltos cuánticos en las capas electrónicas de los átomos dan forma a nuestro mundo, ya sea en la fotosíntesis vivificante y en las reacciones químicas generales o en la creación de color y nuestra visión.
Una hormiga encima de un elefante
Rima Schüssler, ahora becaria postdoctoral en el Instituto Max Planck de Física Nuclear, ha ayudado a construir Pentatrap desde que completó su tesis de maestría en 2014. Ella es la autora principal de un artículo sobre un descubrimiento inesperado realizado en una colaboración en el Max PlanckPTB Riken Center: en el renio, existe un estado cuántico electrónico previamente desconocido con propiedades especiales. Schüssler utiliza la siguiente analogía para describir el grado de sensibilidad con la que Pentatrap puede detectar el salto de un electrón a este estado cuántico a través del cambio de masa de unátomo de renio: "Al pesar un elefante de seis toneladas, pudimos determinar si una hormiga de diez miligramos se arrastraba sobre él".
Pentatrap consta de cinco trampas Penning. Para que una trampa de este tipo pueda pesar un átomo, debe estar cargada eléctricamente es decir, convertirse en un ion. Debido a que el renio se despojó de 29 de sus 75 electrones, está muy cargado. Esto aumenta drásticamente la precisión de la medición. La trampa captura este ion de renio altamente cargado en una combinación de un campo magnético y un campo eléctrico de forma especial. En el interior, viaja en un camino circular, que está intrincadamente retorcido en sí mismo. En principio, se puede considerar como una bola sobre una cuerda, que se le permite girar en el aire. Si se hace con una fuerza constante, una bola más pesada gira más lentamente que una más ligera.
Un estado cuántico extremadamente longevo en renio
En Pentatrap, dos iones de renio giraban alternativamente en las trampas apiladas. Un ión estaba en el estado cuántico energéticamente más bajo. Cuando se generó el segundo ión, un electrón fue excitado aleatoriamente a un estado superior al suministrar energía. En cierto sentido,era el reloj de la herida. Debido a la energía almacenada, se volvió ligeramente más pesado y, por lo tanto, circulaba más lento que el primer ion. Pentatrap cuenta con precisión el número de revoluciones por unidad de tiempo. La diferencia en el número de revoluciones produjo el aumento de peso.
Utilizando este método, el equipo descubrió un estado cuántico extremadamente longevo en renio. Es metaestable es decir, se descompone después de cierta vida útil. Según los cálculos de los teóricos del instituto dirigido por Zoltán Harman y Christoph H. Keitel, la Universidad de Heidelberg y el Laboratorio Kastler Brossel en París, esto es 130 días. La energía del estado cuántico también concuerda bastante bien con los cálculos del modelo utilizando métodos mecánicos cuánticos de última generación.
Posible aplicación en futuros relojes atómicos
Tales estados electrónicos excitados en iones altamente cargados son interesantes para la investigación básica, así como para la posible aplicación en futuros relojes atómicos, según lo investigado por el grupo de trabajo de José Crespo López-Urrutia en el Instituto en cooperación con el Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTBPara ellos, el estado metaestable en renio es atractivo por varias razones. Primero, debido a su longevidad, corresponde a una frecuencia orbital aguda del electrón alrededor del núcleo atómico. Segundo, el electrón puede excitarse con rayos X suaves.luz para saltar a este estado cuántico. En principio, dicho reloj podría funcionar más rápido y, por lo tanto, incluso con mayor precisión que la generación actual de relojes atómicos ópticos. Sin embargo, según Ekkehard Peik, quien está a cargo del Departamento de "Tiempo y Frecuencia"en PTB y quién no participó en el trabajo, todavía es demasiado pronto para especular si el descubrimiento podría ser adecuado para una nueva generación de relojes atómicos.
"Sin embargo, este nuevo método para descubrir estados cuánticos de larga vida es espectacular", subraya el físico. Se imagina que los relojes atómicos que trabajan con tales nuevos estados cuánticos podrían ofrecer inicialmente un nuevo campo de prueba para la investigación básica. Debido a que los iones de renio carecen demuchos electrones que se protegen mutuamente, los electrones restantes sienten el campo eléctrico del núcleo atómico particularmente fuerte. Por lo tanto, los electrones corren alrededor del núcleo a velocidades tan altas que su movimiento debe describirse utilizando la teoría de la relatividad especial de Einstein. Con el nuevo equilibrio atómico,También sería posible probar con alta precisión si la relatividad especial y la teoría cuántica interactúan como se describe en esta teoría.
En general, el nuevo equilibrio atómico ofrece un acceso novedoso a la vida interior cuántica de los átomos más pesados. Debido a que consisten en muchas partículas, electrones, protones y neutrones, no se pueden calcular exactamente. Los modelos atómicos paraPor lo tanto, los cálculos teóricos se basan en simplificaciones, que ahora pueden verificarse con extrema precisión. Podría ser posible utilizar átomos como sondas en la búsqueda de partículas desconocidas, que solo pueden ser detectadas por la fuerza gravitacional extremadamente débil.uno de los mayores misterios sin resolver de la física.
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Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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