Los relojes atómicos que contienen núcleos de torio-229 incrustados en un cristal transparente cuando son impactados por un rayo láser pueden lograr las mediciones más precisas del tiempo y la gravedad, e incluso algunas físicas fundamentales pueden reescribir las reglas. Los cristales dopados con torio-229 son raros y radiactivos. Una película delgada que utiliza un precursor seco de torio-229 exhibe una excitación atómica similar a la de un cristal, pero su bajo costo, su radioactividad y su pequeño tamaño significan que se puede producir en relojes atómicos más pequeños, menos costosos y más portátiles. fácilmente extendido a .
Este verano, los físicos de la UCLA lograron que el núcleo de un átomo de torio-229 incrustado en un cristal transparente absorbiera y emitiera fotones al igual que los electrones en el átomo, décadas antes de que pudiera poner fin a las especulaciones sobre si tal hazaña era posible. Elevar o excitar el estado energético del núcleo de un átomo utilizando un láser permitiría el desarrollo de los relojes atómicos más precisos jamás fabricados y las mediciones más precisas del tiempo y la gravedad. Un reloj atómico de este tipo también podría reescribir algunas de las leyes fundamentales de la física.
Pero hay un problema: los cristales dopados con torio-229 son raros y radiactivos. En un nuevo artículo publicado en la naturalezaun equipo de químicos y físicos de la UCLA ha resuelto este problema desarrollando películas delgadas hechas de precursores de torio-229 que requieren mucho menos torio-229 y son tan radiactivas como los plátanos. Usando estas películas, mostraron la misma excitación nuclear impulsada por láser que era necesaria para un reloj atómico. La producción de películas se puede ampliar para su uso no sólo en relojes atómicos sino también en otras aplicaciones de óptica cuántica.
En lugar de incrustar átomos de torio puro en un cristal a base de flúor, el nuevo método utiliza un material parental de nitrato seco de torio-229 que se disuelve en agua ultrapura y se canaliza a un crisol. La adición de fluoruro de hidrógeno produce unos pocos microgramos 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 de un sistema de láser ultravioleta de vacío se dirigió a los objetivos, donde excitó el estado nuclear como se informó anteriormente en una investigación de la UCLA, y luego se recogieron los fotones emitidos por el núcleo.
“Una de las principales ventajas de utilizar un material central, el fluoruro de torio, es que todos los núcleos de torio se encuentran en el mismo entorno nuclear local y experimentan el mismo campo eléctrico en todos los núcleos”, dijo el coautor Charles W. Clifford Jr. ” Anastasia Alexandrova, profesora de Química y Bioquímica y profesora de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCLA. “Esto hace que todo el torio exhiba las mismas energías de excitación, lo que genera un reloj estable y más preciso. Por lo tanto, el material es único”.
En el corazón de cada reloj hay un oscilador. Un reloj funciona definiendo el tiempo según el tiempo que le toma a un oscilador realizar un cierto número de oscilaciones. En un reloj de pie, un segundo se puede definir como el tiempo que tarda un péndulo en oscilar una vez hacia adelante y hacia atrás. En el oscilador de un reloj de pulsera de cuarzo, esto suele ser de unas 32.0000 vibraciones del cristal.
En el reloj nuclear de torio, un segundo son aproximadamente 2.020.407.300.000.000 ciclos de excitación y relajación del núcleo. Esto puede hacer que un reloj con una tasa de ticks más alta sea más preciso, siempre que la tasa de ticks sea 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 construyen fácilmente y tienen el potencial de usarse para producir dispositivos microfabricados. Esto puede permitir el uso generalizado de relojes atómicos porque los hace más baratos y simples.
Los relojes atómicos actuales basados en electrones son artilugios del tamaño de una habitación con cámaras de vacío que atrapan átomos y dispositivos de enfriamiento asociados. 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 atómica podría desentrañar los mayores misterios del universo. Las mediciones sensibles del núcleo atómico abren una nueva forma de conocer sus propiedades e interacciones con la energía y el medio ambiente. Esto, a su vez, permitirá a los científicos probar algunas de sus teorías fundamentales sobre la materia, la energía y las leyes del espacio y el tiempo.
