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Reloj nuclear

Un reloj nuclear o reloj óptico nuclear es un reloj atómico que se está desarrollando y que utilizará la energía de una transición isomérica nuclear como frecuencia de referenci...

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Un reloj nuclear o reloj óptico nuclear es un reloj atómico que se está desarrollando y que utilizará la energía de una transición isomérica nuclear como frecuencia de referencia [1] , en lugar de la energía de transición electrónica atómica que utilizan los relojes atómicos convencionales. Se espera que un reloj de este tipo sea más preciso que los mejores relojes atómicos actuales en un factor de aproximadamente 10, con una precisión alcanzable cercana al nivel de 10 −19 . [2]

El único estado nuclear adecuado para el desarrollo de un reloj nuclear utilizando la tecnología existente es el torio-229m , un isómero del torio -229 y el isómero nuclear de menor energía conocido. Con una energía de8.355 733 554 021 (8) eV , [3] [4] [5] esto corresponde a una frecuencia de2 020 407 384 335 ± 2 kHz , o longitud de onda de148,382 182 883  nm , en la región ultravioleta del vacío , lo que lo hace accesible a la excitación láser. [6] [7]

Principio de funcionamiento

Los relojes atómicos son los dispositivos de medición del tiempo más precisos de la actualidad. Su principio de funcionamiento subyacente se basa en el hecho de que la diferencia entre dos niveles de energía de electrones es independiente del espacio y del tiempo. Una transición de electrones atómicos puede ser excitada con radiación electromagnética , si la energía del fotón de la radiación coincide exactamente con la energía de la transición. Esto corresponde (a través de la relación de Planck ) a una frecuencia particular. La frecuencia de una fuente puede ser estabilizada para que coincida con la energía de transición de electrones atómicos correspondiente mediante la verificación continua de una excitación exitosa de la transición atómica. Una vez estabilizada de esta manera, la frecuencia de la radiación siempre será la misma (independientemente del espacio y del tiempo).

Los relojes atómicos convencionales utilizan frecuencias de microondas ( ondas de radio de alta frecuencia ), pero el desarrollo del láser ha hecho posible generar frecuencias de luz muy estables, y el peine de frecuencias permite contar esas oscilaciones (medidas en cientos de THz, billones de ciclos por segundo) con una precisión extraordinariamente alta. Cuando la frecuencia del láser se ha estabilizado a una transición atómica particular, el resultado es una medición del tiempo. Un dispositivo de este tipo se conoce como reloj atómico óptico . [8]

Un ejemplo destacado de un reloj atómico óptico es el reloj reticular de iterbio (Yb), en el que se utiliza una transición electrónica particular en el isótopo iterbio-171 para la estabilización del láser. [9] En este caso, ha transcurrido un segundo después518 295 836 590 863 .63 ± 0.1 oscilaciones de la luz láser estabilizadas a la transición electrónica correspondiente. [10] Otros ejemplos de relojes atómicos ópticos de la más alta precisión son el reloj de un solo ion Yb-171, [11] el reloj de red óptica de estroncio (Sr) -87, [12] [13] y el reloj de un solo ion de aluminio (Al) -27. [14] Las precisiones logradas de estos relojes varían alrededor de 10 −18 , lo que corresponde a aproximadamente 1 segundo de inexactitud en 30 mil millones de años, significativamente más largo que la edad del universo.

Un reloj óptico nuclear utilizaría el mismo principio de funcionamiento, con la importante diferencia de que se utiliza una transición nuclear en lugar de una transición electrónica de capa atómica para la estabilización láser. [1] La ventaja esperada de un reloj nuclear es que el núcleo atómico es más pequeño que la capa atómica hasta en cinco órdenes de magnitud, con momentos dipolares magnéticos y cuadrupolares eléctricos correspondientemente más pequeños , y por lo tanto se ve significativamente menos afectado por los campos magnéticos y eléctricos externos. Estas perturbaciones externas son el factor limitante para las precisiones logradas con los relojes atómicos basados ​​en electrones. Debido a esta ventaja conceptual, se espera que un reloj óptico nuclear alcance una precisión temporal cercana a 10 −19 , una mejora diez veces mayor que los relojes basados ​​en electrones. [2]

Ionización

Un núcleo atómico excitado puede liberar su exceso de energía mediante dos caminos alternativos:

  • radiativamente, por emisión directa de fotones ( rayos gamma ), o
  • por conversión interna , transfiriendo la energía a un electrón de capa que es expulsado del átomo.

Para la mayoría de los isómeros nucleares , la energía disponible es suficiente para expulsar cualquier electrón, y los electrones de la capa interna son los que se expulsan con mayor frecuencia. En el caso especial de229 millones
El
, la energía es suficiente sólo para expulsar un electrón externo (la primera energía de ionización del torio es6,3 eV ), y si el átomo ya está ionizado, no hay suficiente energía para expulsar un segundo (la segunda energía de ionización del torio es11,5 eV ).

Las dos vías de desintegración tienen vidas medias diferentes . Neutral229 millones
El
Se desintegra casi exclusivamente por conversión interna, con una vida media de7 ± 1 μs . [15] En los cationes de torio , la conversión interna está prohibida energéticamente y229 millones
El+
se ve obligado a tomar el camino más lento, desintegrándose radiativamente con una vida media de alrededor de media hora. [4]

Así, en el caso típico de que el reloj esté diseñado para medir fotones radiados, es necesario mantener el torio en estado ionizado. Esto se puede hacer en una trampa de iones o incrustándolo en un cristal iónico . En este último caso, los átomos no están 100% ionizados y es posible una pequeña cantidad de conversión interna (reduciendo la vida media a aproximadamente 10 minutos [4] ), pero la pérdida es tolerable.

Diferentes conceptos de reloj nuclear

En la literatura se han discutido dos conceptos diferentes para los relojes ópticos nucleares: relojes nucleares basados ​​en trampas y relojes nucleares de estado sólido .

Relojes nucleares basados ​​en trampas

En el caso de un reloj nuclear basado en trampas, se atrapa un único ion 229 Th 3+ en una trampa de Paul , conocida como reloj nuclear de un solo ion , [1] [2] o se atrapa una cadena de múltiples iones, considerada como el reloj nuclear de múltiples iones . [6] Se espera que estos relojes alcancen la mayor precisión temporal, ya que los iones están en gran medida aislados de su entorno. Un reloj nuclear de múltiples iones podría tener una ventaja significativa sobre el reloj nuclear de un solo ion en términos de rendimiento de estabilidad.

Relojes nucleares de estado sólido

Como el núcleo no se ve afectado en gran medida por la capa atómica, también es interesante incrustar muchos núcleos en un entorno de red cristalina. Este concepto se conoce como el reloj nuclear de red cristalina . [1] Debido a la alta densidad de núcleos incrustados de hasta 10 18 por cm 3 , este concepto permitiría irradiar una gran cantidad de núcleos en paralelo, aumentando drásticamente así la relación señal-ruido alcanzable, [16] pero a costa de perturbaciones externas potencialmente mayores. [17] También se ha propuesto irradiar una superficie metálica de 229 Th y sondear la excitación del isómero en el canal de conversión interno , que se conoce como el reloj nuclear de conversión interna . [18] Se demostró que ambos tipos de relojes nucleares de estado sólido ofrecen el potencial de un rendimiento comparable.

Requisitos de transición

Del principio de funcionamiento de un reloj óptico nuclear se desprende que la excitación directa por láser de un estado nuclear es un requisito fundamental para el desarrollo de dicho reloj. Esto es imposible para la mayoría de las transiciones nucleares, ya que el rango de energía típico de las transiciones nucleares (keV a MeV) es órdenes de magnitud superior a la energía máxima a la que se puede acceder con una intensidad significativa mediante la tecnología láser de ancho de banda estrecho actual (unos pocos eV). Sólo se conocen dos estados excitados nucleares que poseen una energía de excitación suficientemente baja (por debajo de 100 eV). Estos son

  • 229 millones
    El
    , un estado excitado nuclear metaestable del isótopo torio-229 con una energía de excitación de sólo unos 8 eV, [19] [20] y
  • 235 m1
    tú
    , un estado excitado metaestable de uranio-235 con una energía de 76,7 eV. [21]

Sin embargo,235 m1
tú
tiene una vida media radiactiva extraordinariamente larga (del orden de10 22  s , 20.000 veces la edad del universo y mucho más larga que su vida media de conversión interna de 26 minutos), por lo que no es práctico utilizarla para un reloj. [22] [23] Esto deja solo 229m Th con una posibilidad realista de excitación láser nuclear directa.

Otros requisitos para el desarrollo de un reloj nuclear son que

  • la vida útil del estado nuclear excitado es relativamente larga, lo que conduce a una resonancia de ancho de banda estrecho (un factor de calidad alto ) y
  • El núcleo del estado fundamental está fácilmente disponible y tiene una vida útil lo suficientemente larga como para permitir trabajar con cantidades moderadas del material.

Afortunadamente, con229 millones
El+
que tiene una vida media radiactiva (tiempo de desintegración)229
El+
) de alrededor10 3  s , [4] [24] [25] y229
El
que tiene una vida media (tiempo para desintegrarse)225
Real academia de bellas artes
) de7917 ± 48 años , [26] se cumplen ambas condiciones para229 millones
El+
, lo que lo convierte en un candidato ideal para el desarrollo de un reloj nuclear.

Historia

Historia de los relojes nucleares

Ya en 1996 Eugene V. Tkalya propuso utilizar la excitación nuclear como una "fuente de luz altamente estable para la metrología". [27]

Con el desarrollo (alrededor del año 2000) del peine de frecuencia para medir con precisión las frecuencias ópticas, se desarrolló un reloj óptico nuclear basado en229 millones
El
Fue propuesto por primera vez en 2003 por Ekkehard Peik y Christian Tamm, quienes desarrollaron una idea de Uwe Sterr. [1] El artículo contiene ambos conceptos, el reloj nuclear de un solo ion, así como el reloj nuclear de estado sólido.

En su trabajo pionero, Peik y Tamm propusieron utilizar láseres refrigerados individuales.229
El3+
iones en una trampa de Paul para realizar espectroscopia láser nuclear. [1] Aquí el estado de carga 3+ es ventajoso, ya que posee una estructura de capa adecuada para enfriamiento láser directo. Se propuso además excitar un estado de capa electrónica, para lograr números cuánticos 'buenos' del sistema total de la capa más el núcleo que conducirán a una reducción de la influencia inducida por campos perturbadores externos. Una idea central es investigar la excitación láser exitosa del estado nuclear a través del cambio de estructura hiperfina inducido en la capa electrónica debido a los diferentes espines nucleares del estado fundamental y excitado. Este método se conoce como el método de doble resonancia .

En 2012, Corey Campbell et al. investigaron más a fondo el rendimiento esperado de un reloj nuclear de un solo ion, con el resultado de que se encontró una incertidumbre de frecuencia sistemática (precisión) del reloj deSe podría lograr una precisión de 1,5 × 10 −19 , lo que sería aproximadamente un orden de magnitud mejor que la precisión lograda por los mejores relojes atómicos ópticos actuales. [2] El enfoque del reloj nuclear propuesto por Campbell et al. difiere ligeramente del original propuesto por Peik y Tamm. En lugar de excitar un estado de capa electrónica para obtener la mayor insensibilidad frente a campos perturbadores externos, el reloj nuclear propuesto por Campbell et al. utiliza un par estirado de estados hiperfinos nucleares en la configuración del estado fundamental electrónico, lo que parece ser ventajoso en términos del factor de calidad alcanzable y una supresión mejorada del desplazamiento Zeeman cuadrático.

En 2010, Eugene V. Tkalya demostró que teóricamente era posible utilizar229 millones
El
como medio láser para generar un láser ultravioleta. [28] [29] [30]

El enfoque del reloj nuclear de estado sólido fue desarrollado aún más en 2010 por WG Rellergert et al. [17] con el resultado de una precisión esperada a largo plazo de aproximadamente2 × 10 −16 . Aunque se espera que sea menos preciso que el enfoque del reloj nuclear de un solo ion debido a los efectos de ensanchamiento de línea y los cambios de temperatura en el entorno de la red cristalina, este enfoque puede tener ventajas en términos de compacidad, robustez y consumo de energía. El rendimiento de estabilidad esperado fue investigado por G. Kazakov et al. en 2012. [16] En 2020, se propuso el desarrollo de un reloj nuclear de conversión interna. [18]

Entre los pasos importantes en el camino hacia un reloj nuclear se incluye el exitoso enfriamiento directo por láser de229
El3+
iones en una trampa de Paul logrados en 2011, [31] y una primera detección del cambio de estructura hiperfina inducido por isómeros, lo que permitió que el método de doble resonancia investigara una excitación nuclear exitosa en 2018. [32]

Historia de229 millonesEl

Desde 1976, se sabe que el núcleo 229 Th posee un estado excitado de baja energía, [33] cuya energía de excitación se demostró originalmente que era inferior a 100 eV, [7] y luego se demostró que era inferior a10 eV en 1990. [34]

Sin embargo, este era un rango de energía demasiado amplio para aplicar técnicas de espectroscopia de alta resolución ; primero se tuvo que reducir la energía de transición. Los esfuerzos iniciales utilizaron el hecho de que, después de la desintegración alfa de233
tú
, la resultante229
El
El núcleo está en un estado excitado y emite rápidamente un rayo gamma para decaer al estado base o al estado metaestable. Medir la pequeña diferencia en las energías de rayos gamma emitidas en estos procesos permite encontrar la energía del estado metaestable por sustracción. [ cita requerida ] Sin embargo, los experimentos nucleares no son capaces de medir con precisión la diferencia de frecuencia entre dos energías altas de rayos gamma, por lo que se necesitaron otros experimentos. [7] Debido a la desintegración radiactiva natural de los núcleos de 229 Th, se requirió una frecuencia láser muy concentrada para excitar suficientes núcleos en un experimento para superar la radiación de fondo y dar una medición más precisa de la energía de excitación. [7] Debido a que no era factible escanear todo el rango de 100 eV, se necesitaba una estimación de la frecuencia correcta. [7]

Un error inicial fue la medición (incorrecta) del valor de energía como 3,5 ± 1,0 eV en 1994. [35] Esta frecuencia de luz es relativamente fácil de trabajar, por lo que se intentaron muchos experimentos de detección directa que no tenían esperanzas de éxito porque estaban construidos con materiales opacos a los fotones en la energía verdadera, más alta. [6] [7] En particular:

  • El óxido de torio es transparente a los fotones de 3,5 eV, pero opaco a 8,3 eV.
  • Los materiales comunes para lentes y ventanas ópticas, como el cuarzo fundido, son opacos a energías superiores a 8 eV, [36]
  • El oxígeno molecular (aire) es opaco a los fotones que se encuentran por encima6,2 eV ; los experimentos deben realizarse en una atmósfera de nitrógeno o argón , y
  • La energía de ionización del torio es6,3 eV , por lo que los núcleos se desintegrarán por conversión interna a menos que se lo impida (véase § Ionización).

El valor de la energía permaneció esquivo hasta 2003, cuando la propuesta del reloj nuclear desencadenó una multitud de esfuerzos experimentales para precisar los parámetros del estado excitado, como la energía y la vida media. La detección de la luz emitida en la desintegración directa de229 millones
El
ayudaría significativamente a determinar su energía con mayor precisión, pero todos los esfuerzos para observar la luz emitida en la desintegración de229 millones
El
estaban fallando. [6] El nivel de energía se corrigió a7,6 ± 0,5 eV en 2007 [37] (ligeramente revisado a7,8 ± 0,5 eV en 2009 [38] ). Los experimentos posteriores siguieron sin observar ninguna señal de luz emitida en la desintegración directa, lo que llevó a la gente a sospechar la existencia de un fuerte canal de desintegración no radiativa. [39] [40] [41] [42] La detección de luz emitida por la desintegración de 229m Th se informó en 2012, [43] y nuevamente en 2018, [44] pero las señales observadas fueron objeto de controversia dentro de la comunidad. [45]

En 2016 se logró una detección directa de electrones emitidos por el canal de desintegración de conversión interna del isómero. [46] Esta detección sentó las bases para la determinación de la vida media del 229m Th en átomos neutros unidos a la superficie en 2017 [15] y una primera caracterización espectroscópica láser en 2018. [32]

En 2019, se midió la energía del isómero mediante la detección de electrones de conversión interna emitidos en su desintegración directa en estado fundamental.8,28 ± 0,17 eV . [19] También una primera excitación exitosa de laEstado nuclear excitado de 29 keV229
El
Se informó a través de la radiación sincrotrón, [47] lo que permitió una medición de la energía de transición del reloj8,30 ± 0,92 eV . [48] En 2020, una energía deSe obtuvieron 8,10 ± 0,17 eV mediante espectroscopia de rayos gamma de precisión. [20]

Finalmente, en 2023 se lograron mediciones precisas mediante la detección inequívoca de los fotones emitidos (8.338(24) eV ) [49] [50] y en abril de 2024 por dos informes de excitación con un láser sintonizable en8.355 733 (10) eV [51] y8.355 74 (3)  eV . [3] [4] [52] [53] La frecuencia de la luz ahora se conoce con suficiente precisión para permitir la futura construcción de un prototipo de reloj, [54] [55] [56] y determinar la frecuencia exacta de la transición y su estabilidad.

Las mediciones de frecuencia de precisión comenzaron de inmediato, y el laboratorio de Jun Ye en JILA realizó una comparación directa con un87
Sr
reloj atómico óptico. Publicado en septiembre de 2024, la frecuencia se midió como2 020 407 384 335 ± 2 kHz , [5] [57] [58] [59] una incertidumbre relativa de10 −12 . Esto implica una energía de8.355 733 554 021 (8) eV y una longitud de onda de148,382 182 8827 (15) nm . El trabajo también resolvió diferentes subniveles de cuadrupolo nuclear y midió la relación entre el momento cuadrupolo nuclear del estado fundamental y el del estado excitado. Seguramente se seguirán realizando mejoras. [56] [60]

Aplicaciones

Cuando esté operativo, se espera que un reloj óptico nuclear tenga aplicaciones en diversos campos. Además de las capacidades de los relojes atómicos actuales, como la navegación por satélite o la transferencia de datos, su alta precisión permitirá nuevas aplicaciones inaccesibles a otros relojes atómicos, como la geodesia relativista, la búsqueda de materia oscura topológica [61] o la determinación de variaciones temporales de constantes fundamentales [62] .

Un reloj nuclear tiene el potencial de ser particularmente sensible a posibles variaciones temporales de la constante de estructura fina . [63] La idea central es que la baja energía se debe a una cancelación fortuita entre fuertes efectos nucleares y electromagnéticos dentro del núcleo que son individualmente mucho más fuertes. Cualquier variación de la constante de estructura fina afectaría a la mitad electromagnética de este equilibrio, lo que daría como resultado un cambio proporcionalmente muy grande en la energía de transición total. [22] [60] Se podría detectar un cambio de incluso una parte en 10 18 en comparación con un reloj atómico convencional (cuya frecuencia también se alteraría, pero no tanto), por lo que esta medición sería extraordinariamente sensible a cualquier variación potencial de la constante. Las mediciones y análisis recientes son consistentes con factores de mejora del orden de 10 4 . [32] [64] [65] [66]

Referencias

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Lectura adicional

  • Proyecto de reloj nuclear de torio (nuClock) de la UE
  1. ^ Error de cita: La referencia nombrada WenseReviewfue invocada pero nunca definida (ver la página de ayuda ).
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