Elevar el estado energético de un núcleo atómico utilizando un láser, o excitarlo, permitiría el desarrollo de los relojes atómicos más precisos que jamás hayan existido. Esto ha sido difícil de hacer porque los electrones que rodean el núcleo reaccionan fácilmente con la luz, aumentando la cantidad de luz necesaria para llegar al núcleo. Al hacer que los electrones se unan al flúor en un cristal transparente, los físicos de la UCLA finalmente lograron activar neutrones en el núcleo de un átomo de torio utilizando cantidades moderadas de luz láser. Este avance significa que las mediciones del tiempo, la gravedad y otros campos que actualmente se realizan utilizando electrones atómicos se podrán realizar con mayor precisión.
Durante casi 50 años, los físicos han soñado con los secretos que podrían descubrir elevando el estado energético del núcleo de un átomo mediante un láser. Este avance reemplazaría los relojes atómicos actuales por un reloj nuclear, que sería el reloj más preciso jamás creado y permitiría avances como la navegación y las comunicaciones. También permitiría a los científicos medir con precisión si las constantes fundamentales de la naturaleza son realmente constantes o simplemente parecen serlo porque aún no las hemos medido con suficiente precisión.
Ahora, un esfuerzo dirigido por el profesor de física y astronomía de UCLA, Eric Hudson, ha logrado lo que parecía imposible. Al encerrar un átomo de torio en un cristal altamente transparente y bombardearlo con láseres, el grupo de Hudson logró que el núcleo del átomo de torio absorbiera y emitiera fotones tal como lo hacen los electrones del átomo. La sorprendente hazaña se describe en un artículo publicado en la revista. Cartas de inspección física.
Esto significa que se podrán realizar con mayor precisión las mediciones del tiempo, la gravedad y otros campos que actualmente se realizan utilizando electrones atómicos. La razón es que los electrones atómicos se ven afectados por muchos factores en su entorno, que afectan la forma en que absorben y emiten fotones y limitan su precisión. Los neutrones y los protones, por otro lado, están unidos y altamente concentrados en el núcleo y tienen menos interferencia ambiental.
Utilizando la nueva tecnología, los científicos pueden determinar si difieren las constantes fundamentales, como la constante de estructura fina, que determina la fuerza que mantiene unidos a los átomos. Los indicios astronómicos sugieren que la constante de estructura fina puede no ser la misma en todas partes del universo o en todos los momentos. Mediciones precisas utilizando el reloj nuclear de la constante de estructura fina podrían reescribir por completo algunas de estas leyes más básicas de la naturaleza.
«La fuerza nuclear es tan fuerte que la energía en el núcleo es un millón de veces más fuerte que la que se ve en los electrones, lo que significa que si las constantes fundamentales de la naturaleza se desvían, los cambios en el núcleo son mucho mayores y más notables, haciendo que la mediciones más sensibles», dijo Hudson. «El uso de un reloj nuclear para estas mediciones proporcionará la prueba más sensible de ‘variaciones permanentes’ hasta la fecha, y probablemente no será igualada por ningún experimento durante los próximos 100 años».
El grupo de Hudson fue el primero en proponer una serie de experimentos para estimular con un láser núcleos de torio-229 dopados en cristales, y ha estado trabajando durante los últimos 15 años para lograr los resultados recientemente publicados. Es difícil lograr que los neutrones en el núcleo de un átomo respondan a la luz láser porque están rodeados de electrones que responden fácilmente a la luz y pueden reducir la cantidad de fotones que realmente pueden llegar al núcleo. Se dice que una partícula que ha elevado su nivel de energía, por ejemplo al absorber un fotón, está en un estado «excitado».
El equipo de la UCLA colocó átomos de torio-229 en un cristal transparente rico en flúor. El flúor puede formar enlaces extremadamente fuertes con otros átomos, suspendiendo los átomos y atrapando el núcleo como una mosca en una telaraña. Los electrones estaban tan estrechamente unidos al flúor que la cantidad de energía necesaria para excitarlos era muy grande, lo que permitía que la luz de menor energía llegara al núcleo. Los núcleos de torio podrían entonces absorber estos fotones y reemitirlos, permitiendo detectar y medir la excitación de los núcleos. Al variar la energía de los fotones y monitorear la tasa de excitación nuclear, el equipo pudo medir la energía del estado nuclear excitado.
«Nunca antes habíamos podido impulsar transiciones nucleares como ésta con un láser», dijo Hudson. «Si sostienes un torio en su lugar con un cristal transparente, puedes hablarle con luz».
Hudson dijo que la nueva tecnología podría usarse en cualquier lugar donde se necesite una sincronización extremadamente precisa en sensores, comunicaciones y navegación. Los relojes atómicos basados en electrones existentes son dispositivos del tamaño de una habitación con cámaras de vacío para atrapar átomos y equipos para enfriarlos. Un reloj nuclear basado en torio sería mucho más pequeño, más duradero, más portátil y más preciso.
«Nadie se dedica a los relojes porque no nos gusta la idea de que el tiempo sea limitado», afirmó. «Pero utilizamos relojes atómicos todo el tiempo todos los días, por ejemplo en las tecnologías que hacen funcionar nuestros teléfonos móviles y GPS».
Más allá de las aplicaciones comerciales, la nueva espectroscopia nuclear podría revelar algunos de los mayores misterios del universo. La medición sensible de un núcleo atómico 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 más fundamentales sobre la materia, la energía y las leyes del espacio y el tiempo.
«Los humanos, como la mayoría de la vida en la Tierra, existen en escalas demasiado pequeñas o demasiado grandes para observar lo que realmente podría estar sucediendo en el universo», dijo Hudson. «Lo que podemos observar desde nuestra perspectiva limitada es un conglomerado de efectos en diferentes escalas de tamaño, tiempo y energía, y las constantes de la naturaleza que hemos formulado parecen mantenerse en este nivel.
«Pero si pudiéramos observar con mayor precisión, ¡estas constantes podrían ser diferentes! Nuestro trabajo ha dado un gran paso hacia estas mediciones y, en cualquier caso, estoy seguro de que nos sorprenderá lo que aprendamos».
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
«Durante muchas décadas, mediciones cada vez más precisas de constantes fundamentales nos han permitido comprender mejor el universo en todas las escalas y, a su vez, desarrollar nuevas tecnologías que hagan avanzar nuestra economía y fortalezcan nuestra seguridad nacional», dijo Denise Caldwell, subdirectora de NSF. División de Ciencias Físicas y Matemáticas. Dirección de Ciencias, que proporcionó financiación para el estudio. «Esta técnica de base nuclear algún día podría permitir a los científicos medir algunas constantes fundamentales con tanta precisión que tal vez tengamos que llamarlas ‘constantes'».
