Si desea construir el reloj más preciso del mundo, necesita algo que "funcione" muy rápido y extremadamente preciso. En un reloj atómico, se utilizan electrones, que se pueden alternar entre dos estados diferentes en unde manera muy precisa definida. Sin embargo, aún más preciso sería un reloj nuclear que no utiliza estados de electrones, sino estados internos del núcleo atómico.
Durante décadas, las personas han estado buscando núcleos atómicos adecuados para este propósito, y durante mucho tiempo se había conjeturado que un isótopo de torio específico debe tener un estado nuclear que sea adecuado para la construcción de una nueva generación derelojes de precisión. Este estado central de torio tan buscado se ha demostrado experimentalmente por primera vez, dos veces, por dos equipos internacionales de investigación diferentes. TU Wien jugó un papel importante en ambos experimentos. Los resultados de los dos experimentos ahora han sidopublicado simultáneamente en la revista Naturaleza .
dos niveles de energía adyacentes
"En física nuclear generalmente tenemos que lidiar con energías muy altas", dice el profesor Thorsten Schumm de TU Wien. "Las energías de los electrones que orbitan el núcleo atómico son generalmente mucho más bajas, por lo que es relativamente fácil manipular estos electrones".con luz láser. Esto generalmente no es posible con núcleos atómicos "
Sin embargo, los núcleos de torio del isótopo 229 son una excepción notable: "Justo encima del estado fundamental, el estado con la energía más pequeña posible, hay, sorprendentemente, otro estado nuclear, que llamamos isómero", dice ThorstenSchumm. La diferencia de energía entre estos dos estados nucleares, el estado fundamental y el isómero, es muchos órdenes de magnitud menor que la diferencia entre los niveles de energía en otros núcleos atómicos. Es comparable a las energías de los electrones. El torio-229 esactualmente el único núcleo con un estado de isómero de tan baja energía.
La transición entre los dos estados nucleares de torio es una base excelente para construir un reloj de precisión novedoso. Los estados nucleares pueden medirse incluso con mayor precisión que los estados de capa de electrones como se usa en los relojes atómicos actuales. Además, el núcleo atómico está mucho mejor protegido contraperturbaciones, por ejemplo, de campos electromagnéticos externos. Hasta ahora, el gran problema era que el valor exacto de energía del estado inusual del isómero de torio era desconocido.
método de medición complicado
Debido a que la búsqueda de esta condición central es complicada y requiere mucho tiempo, varios equipos unieron fuerzas: grupos de investigación de Alemania y Austria LMU München, MPI Heidelberg y TU Wien desarrollaron un método para detectar el estado deseado de los isómeros: cuando es radiactivoLa descomposición de los núcleos de uranio 233, los iones de torio cargados eléctricamente se forman, aproximadamente el 2% de ellos terminan en el estado isomérico excitado deseado.los iones capturan los electrones faltantes. Los átomos de torio neutros pueden cambiar espontáneamente del estado nuclear excitado al estado fundamental. Esto libera energía: un electrón es arrojado. La energía de este electrón se mide, y si todos los detalles del complicadoEl experimento puede ser controlado y calculado con precisión, la energía del estado del núcleo de torio se puede deducir. Thorsten Schumm y Simon Stellmer ayudaron a desarrollar el experimento, Florian LibIsch y Christoph Lemell realizaron simulaciones por computadora necesarias para una estimación cuantitativa de la energía de los isómeros.
Al mismo tiempo, se llevó a cabo un experimento completamente diferente en Japón, y Thorsten Schumm de TU Wien también participó en este trabajo. Allí, se utilizó un sincrotrón que produce rayos X extremadamente intensos. Si se irradian núcleos de toriocon estos rayos, pueden transferirse al segundo estado nuclear excitado con una energía más de 1000 veces mayor que el estado del isómero. A partir de este estado, los núcleos de torio se descomponen predominantemente en el estado isomérico deseado, cerca del estado fundamental:los átomos se "bombean" activamente al estado de isómero y se pueden medir allí.
Numerosas aplicaciones posibles
"Este es un paso extremadamente importante para nosotros: no solo sabemos que el estado excitado realmente existe justo por encima del estado fundamental, sino que también conocemos su energía bastante bien ahora", dice Thorsten Schumm. En otras mediciones, el estadomedirse con mayor precisión. Entonces debería ser posible utilizarlo para construir relojes nucleares atómicos compactos y de alta precisión. Estos relojes abrirían posibilidades de investigación completamente nuevas: serían una gran herramienta para la investigación básica, por ejemplo para investigar la oscuridadimporta o medir si nuestras constantes naturales son en realidad exactamente constantes. Además de eso, un reloj nuclear atómico haría muchas otras mediciones más precisas, que solo pueden estar indirectamente relacionadas con la medición del tiempo. Estas incluyen la medición de pequeñas irregularidades en la Tierracampo gravitacional o el posicionamiento más preciso de los objetos mediante navegación por satélite.
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Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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