Aguardado longo-esperado O laser excita núcleos atômicos para a medição de precisão

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Aguardado longo-esperado: O laser excita núcleos atômicos
para a medição de precisão
 (Kiryl
Pro movimento/Getty Images)
Embora não possamos vê-lo, vivemos em um mundo quantizado onde a luz que ilumina nossos dias é
composta de pequenos pacotes de energia, e os átomos que constituem matéria são divididos de forma
semelhante em bandas de energia discretas.
Como moedas em uma máquina caça-níqueis, deixar cair a quanta direita de luz em um átomo pode
fazer com que seus elétrons se desloquem para estados quânticos de bandas de maior energia. E à
medida que eles mudam de volta para baixo, essas “moedas” de luz podem ser reembolsadas.
Agora, pesquisadores na Áustria e na Alemanha alcançaram um objetivo de décadas de usar lasers para
excitar um isótopo de tório - não seus elétrons, mas o feixe fortemente ligado de prótons e nêutrons que
compõem seu núcleo.
Com um choque de energia correspondente precisamente à lacuna entre os dois estados quânticos dos
núcleos, os núcleos do tório-229 foram feitos para "supar" como elétrons, átomos inteiros e moléculas
também podem fazer.
“Normalmente, os núcleos atômicos não podem ser manipulados com lasers. A energia dos fótons
simplesmente não é suficiente”, explica o físico Thorsten Schumm, da Universidade de Tecnologia de
Viena.
Bater núcleos atômicos de um estado quântico para outro requer pelo menos mil vezes mais energia do
que os elétrons que fazem o salto entre as camadas orbitais, Schumm continua. Os pesquisadores
também precisavam saber exatamente o que é essa lacuna de energia, para que pudessem ajustar seus
lasers.
https://physics.aps.org/story/v27/st16
https://en.wikipedia.org/wiki/Thorium
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/lange-erhoffter-durchbruch-erstmals-atomkern-mit-laser-angeregt
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/lange-erhoffter-durchbruch-erstmals-atomkern-mit-laser-angeregt
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O Thorium-229 foi escolhido como alvo porque seu núcleo tem dois estados de energia adjacentes muito
próximos que Schumm e seus colaboradores do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha, o PTB,
pensavam – como muitos cientistas antes deles – poderia desbloquear a famosa “transição de urânio”.
Os cientistas têm tentado medir com precisão essa lacuna de energia desde a década de 1970, quando
experimentos de decaimento revelaram pela primeira vez a proximidade dos dois estados de energia do
tório-229.
Ao longo de décadas, diferentes equipes têm refinado constantemente suas estimativas, de 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 precisas o suficiente para detectar a diferença de energia (que é a
transição do tório) e, assim, conhecer o pulso exato de energia, ou "tamanho da moeda", necessário
para mudar os núcleos entre dois estados.
De fato, como a transição do tório é tão difícil de observar, sua existência só foi confirmada em 2016 e
medida diretamente (não deduzida) pela primeira vez no ano passado.
“Você tem que atingir a energia certa com uma precisão de um milionésimo de um elétron-volt para
detectar a transição”, diz Schumm.
Para aumentar suas chances de encontrar a transição exata do tório, a equipe de Schumm fez cristais
que abrigavam trilhões de átomos de tório, em vez de colocar átomos de tório solitários em armadilhas
eletromagnéticas e zapping-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 embutidos e apenas alguns milímetros de tamanho para minimizar qualquer interferência.
Em novembro de 2023, eles finalmente o encontraram: um sinal claro de seus experimentos lhes deu
uma medição muito melhorada para a transição de tório de 8,355743 - 0,000003 elétron-volts.
Sendo uma fração das energias de transição de outros núcleos atômicos que os pesquisadores
estudaram, a equipe de Schumm foi capaz de usar lasers de bancada, em vez de luz de raios-X de alta
energia de um síncrotron, para deslocar os núcleos de tório-229 de um estado de aterramento de baixa
altitude em um um metaestável ligeiramente mais alto.
O avanço há muito esperado mostra que os átomos de tório-229 embutidos em cristais sólidos poderiam
de fato ser usados para fazer um relógio nuclear que seria muito mais estável, preciso e prático do que
os relógios atômicos existentes.
“Nosso método de medição é apenas o começo”, diz Schumm sobre as aplicações potenciais de seu
trabalho, incluindo medições ultraprecisas de tempo e gravidade. “Ainda não podemos prever quais
resultados alcançaremos com ele. Certamente será muito emocionante.”
O estudo foi publicado na Physical Review Letters.
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/die-lange-suche-nach-dem-thorium-uebergang
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/die-lange-suche-nach-dem-thorium-uebergang
https://physicsworld.com/a/elusive-nuclear-clock-transition-spotted-in-thorium-229/
https://physicsworld.com/a/elusive-nuclear-clock-transition-spotted-in-thorium-229/
https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/lange-erhoffter-durchbruch-erstmals-atomkern-mit-laser-angeregt
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/high-tech-edelsteine-fuer-die-forschung
https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/
https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/
https://physicsworld.com/a/atomic-nuclei-go-for-a-quantum-swing/
https://www.ansto.gov.au/education/nuclear-facts/what-is-synchrotron-light
https://www.sciencealert.com/superradiance-could-solve-atomic-clocks-precision-challenges
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/lange-erhoffter-durchbruch-erstmals-atomkern-mit-laser-angeregt
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/von-atomkern-uhren-und-den-grundkonstanten-der-natur
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.182501