Un equipo de investigación internacional está avanzando en el cronometraje de precisión mediante el desarrollo de un reloj nuclear que utiliza isótopos de torio y métodos láser innovadores, transformando potencialmente nuestra comprensión de las constantes físicas y la materia oscura. (Concepto del artista). Crédito: SciTechDaily.com
Una forma nueva y más precisa de medir el tiempo es el objetivo de un proyecto de investigación internacional en el que participa la física de Würzburg Adriana Pálffy-Buß. Los resultados también podrían ayudar en la búsqueda de materia oscura.
El sistema de navegación global GPS, el tráfico de datos digitales en la red telefónica, la medición de la Tierra mediante satélites: todas estas tecnologías no funcionarían sin cronometradores precisos. Aquí, unas milmillonésimas de segundo son cruciales para que los resultados sean correctos. La ciencia, especialmente la física, también depende de relojes extremadamente precisos si quiere saber, por ejemplo, de qué está hecha la materia oscura o si las constantes naturales son realmente constantes.
Una base fundamentalmente nueva para un reloj de tan alta precisión es el objetivo de un proyecto de investigación internacional que ya ha sido aprobado. A finales de 2023, el Fondo Austriaco para la Ciencia FWF creó para este fin la denominada “Área Especial de Investigación”, comparable a un Centro de Investigación Colaborativa de la Fundación Alemana de Investigación (DFG).
Durante los próximos cuatro años, equipos de la Universidad de Viena y la Universidad Tecnológica de Viena, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria y la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg (JMU) trabajarán juntos en el proyecto, financiado con 3,1 millones de euros. euros. En el proyecto participa Adriana Pálffy-Buß desde Würzburg. La experta en óptica cuántica de rayos X asumió a principios de 2022 la cátedra de Información Cuántica Teórica y Óptica Cuántica en la JMU. Con su grupo también realiza investigaciones en el Clúster de Excelencia ct.qmat – Complejidad y Topología de Würzburg-Dresde en Materiales Cuánticos.
El salto de un núcleo de torio desde el estado excitado al estado fundamental es el punto de partida de un nuevo tipo de reloj que equipos de investigación de Würzburg y Viena quieren desarrollar. Crédito: Oselote / iStockphoto (Atomkern) /KI Hintergrund), Editado
Aumento de la precisión de la medición de los métodos físicos
“Los investigadores dirigidos por Oliver Heckl de la Universidad de Viena quieren aumentar la precisión de las mediciones con métodos físicos en el área de investigación especial ‘Metrología coherente más allá de las transiciones dipolares eléctricas’. Se utilizará un método innovador que utiliza luz con momento angular orbital”, según el comunicado de prensa de la FWF. ¿Qué quiere decir esto?
“Los cronometradores más precisos hoy en día son los relojes atómicos, que miden el tiempo en función de la frecuencia de las transiciones que hacen los electrones entre los diferentes niveles de energía de un átomo. En nuestro proyecto queremos utilizar un láser de banda estrecha recientemente desarrollado para hacer que un núcleo atómico salte entre niveles de energía y al mismo tiempo emita fotones, es decir, partículas de luz. Un reloj nuclear de este tipo podría aumentar la precisión de las mediciones en un factor de aproximadamente 3”, explica Adriana Pálffy-Buß.
Investigación sobre un isótopo del elemento torio
El equipo de investigación se centra en un isótopo del elemento torio. El núcleo de torio en cuestión tiene 229 componentes nucleares (protones y neutrones) y puede alcanzar un estado excitado que es sólo unos ocho electronvoltios más energético que su estado de menor energía, el llamado estado fundamental.
“Esta diferencia es tan pequeña según los estándares de la física nuclear que los dos estados apenas eran distinguibles cuando se observaron por primera vez”, afirma Pálffy-Buß. Al mismo tiempo, es esta diferencia la que podría hacer posible una “medición del tiempo nuclear”. En 2023 se logró una prueba experimental de este salto del estado excitado al estado fundamental de un núcleo de torio con la emisión de un fotón.
Dispare átomos de torio con un láser y capture los fotones que busca: Desafortunadamente, el “reloj nuclear” no funciona tan fácilmente. Una de las razones: “Para excitar el núcleo se necesitan unos ocho electronvoltios. Sin embargo, seis electronvoltios son suficientes para sacar el electrón más externo de su órbita. En este caso, el núcleo excitado prefiere transferir su excedente de energía al electrón en lugar de emitir un fotón. Sin embargo, esto hay que evitarlo”, explica el físico.
La solución a este problema podría ser incorporar átomos de torio en cristales transparentes especiales. “Los experimentos correspondientes demostraron que el torio ocupa su lugar en la red cristalina en estado iónico, es decir, cede su electrón externo”, explica Pálffy-Buß. El cristal también puede albergar muchos núcleos de torio a la vez, lo que facilita la detección del fotón buscado.
Los impulsos láser en forma de sacacorchos giratorios tienen como objetivo llevar los núcleos de torio al estado excitado deseado. Crédito: Tobías Kirschbaum
Sacacorchos giratorios como solución
Otro problema: hasta la fecha no existe ningún láser con la precisión necesaria para provocar el efecto deseado. Por ello, el equipo de investigación austríaco-alemán apuesta por el mencionado “método innovador que utiliza luz con momento angular orbital”. Esto también se conoce como rayos de luz retorcidos o rayos de vórtice.
En términos muy simplificados, los pulsos láser no golpean los átomos de torio como una “pared de energía” en este método. Más bien, se parecen a una especie de sacacorchos giratorio y, por lo tanto, es más probable que pongan los núcleos atómicos en el estado excitado deseado.
Cálculos teóricos para el escenario ideal
Como experta en física teórica, Adriana Pálffy-Buß apoyará el proyecto de investigación principalmente con sus cálculos. “Diseño y simulo lo que sucedería en distintos montajes experimentales y propongo lo que funcionaría mejor”, resume el físico. Entre numerosos enfoques, intenta identificar el escenario más prometedor. Para ello recibe alrededor de 375.000 euros del fondo de financiación del área especial de investigación, suficiente para financiar dos puestos de doctorado.
Para los físicos este proyecto de investigación es muy apasionante, afirma Pálffy-Buß. “Un reloj nuclear permitiría investigar conceptos que normalmente se dan por sentados, como la cuestión de si las constantes físicas fundamentales son realmente constantes”. También podría ayudar a responder la pregunta de de qué está hecha la materia oscura. “Debido a las interacciones fundamentales que desempeñan un papel en las transiciones nucleares, el reloj nuclear se encuentra en una posición única para responder a estas preguntas”, concluye el físico.
2024-04-01 10:28:57
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