Laser excita núcleos atômicos para medição de precisão: WebCuriosos

Embora não possamos ver isso, vivemos num mundo quantizado onde a luz que ilumina os nossos dias é composta por pequenos pacotes de energia e os átomos que constituem a matéria estão igualmente divididos em faixas de energia discretas.

Como as moedas em uma máquina caça-níqueis, lançar os quanta certos de luz sobre um átomo pode fazer com que seus elétrons mudem para estados quânticos de bandas de energia mais altas. E à medida que descem, essas “moedas” de luz podem ser reembolsadas.

Agora, investigadores na Áustria e na Alemanha alcançaram um décadas-longo objetivo de usar lasers para excitar um isótopo de tório – não seus elétrons, mas o feixe fortemente ligado de prótons e nêutrons que constitui seu próprio núcleo.

Com um choque de energia correspondente precisamente à lacuna entre os dois estados quânticos dos núcleos, os núcleos de tório-229 foram obrigados a “saltar” tal como os electrões, os átomos inteiros e as moléculas também podem fazer.

“Normalmente, os núcleos atômicos não podem ser manipulados com lasers. A energia dos fótons simplesmente não é suficiente,” explica físico Thorsten Schumm, da Universidade de Tecnologia de Viena.

Fazer com que os núcleos atômicos passem de um estado quântico para outro requer pelo menos mil vezes mais energia do que os elétrons que saltam entre as camadas orbitais, Schumm continua. Os pesquisadores também precisavam saber exatamente qual é essa lacuna de energia, para que pudessem ajustar seus lasers.

O tório-229 foi escolhido como alvo porque o seu núcleo tem dois estados de energia adjacentes muito próximos que Schumm e os seus colaboradores do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha, PTB, pensaram – como muitos cientistas antes deles – poderiam desbloquear a famosa “transição do tório”.

Os cientistas têm tentado medir com precisão esta lacuna energética desde a década de 1970quando os experimentos de decaimento revelaram pela primeira vez a proximidade dos dois estados de energia do tório-229.

Ao longo de décadas, diferentes equipes refinaram constantemente suas estimativasde menos de 100 elétron-volts até cerca de 8. Esta é a quantidade de energia liberada (como radiação) quando um núcleo de tório cai de um estado de energia para outro.

Mas essas medições não foram suficientemente precisas para detectar a diferença de energia (que é a transição do tório) e, assim, saber o impulso de energia exacto, ou “tamanho da moeda”, necessário para deslocar os núcleos entre dois estados.

Na verdade, como a transição do tório é tão difícil de observar, a sua existência foi confirmado apenas em 2016 e medido diretamente (não deduzido) pela primeira vez no ano passado.

“Você tem que atingir a energia certa com uma precisão de um milionésimo de elétron-volt para detectar a transição”, Schumm diz.

Para aumentar as chances de encontrar a transição exata do tório, a equipe de Schumm cristais feitos que abrigava trilhões de átomos de tório, em vez de colocar átomos de tório solitários em armadilhas eletromagnéticas e destruí-los individualmente, como muitas equipes anteriores haviam feito.

Os cristais tinham que ser completamente transparentes para que o laser afetasse apenas os átomos de tório incorporados, e ter apenas alguns milímetros de tamanho para minimizar qualquer interferência.

Em novembro de 2023, eles finalmente encontraram: um sinal claro de seus experimentos deu-lhes uma medição muito melhorada para a transição do tório de 8,355743 ± 0,000003 elétron-volts.

Sendo uma fração do energias de transição de outros núcleos atômicos que os pesquisadores estudaram, a equipe de Schumm conseguiu usar lasers de bancada, em vez de luz de raios X de alta energia de um síncrotronpara mudar os núcleos de tório-229 de um estado fundamental baixo para um metaestável ligeiramente superior.

A tão esperada descoberta mostra que os átomos de tório-229 incorporados em cristais sólidos poderiam de facto ser usados ​​para fazer um relógio nuclear que seria muito mais estável, preciso e prático do que os relógios atómicos existentes.

“Nosso método de medição é apenas o começo”, diz Schumm das aplicações potenciais do seu trabalho, incluindo medições ultraprecisas de tempo e gravidade. “Ainda não podemos prever quais resultados alcançaremos com isso. Certamente será muito emocionante.”

O estudo foi publicado em Cartas de revisão física.