Logran mediante láser la transición del torio

Manipular átomos o moléculas con láser es hoy algo habitual: si se elige exactamente la longitud de onda del láser, los átomos o moléculas pueden pasar de un estado a otro. De este modo, las energías de los átomos o moléculas pueden medirse con gran precisión. Muchas técnicas de medición de precisión se basan en ello, como los actuales relojes atómicos, pero también los métodos de análisis químico. Los láseres también se utilizan a menudo en los ordenadores cuánticos para almacenar información en átomos o moléculas.

Sin embargo, durante mucho tiempo se ha considerado prácticamente imposible aplicar estas técnicas a los núcleos atómicos. Los núcleos atómicos también pueden pasar de un estado cuántico a otro. Sin embargo, normalmente se necesita mucha más energía para cambiar un núcleo atómico de un estado a otro: al menos mil veces la energía de los electrones en un átomo o una molécula. Por eso, normalmente los núcleos atómicos no pueden manipularse con láser. La energía de los fotones no es suficiente.

Esta limitación ha venido frustrando mucho a los físicos porque los núcleos atómicos son en realidad los objetos cuánticos perfectos para las mediciones de precisión: Son mucho más pequeños que los átomos y las moléculas y mucho menos susceptibles que otros objetos cuánticos a perturbaciones externas, como los campos electromagnéticos. En principio, permitirían realizar mediciones con una precisión sin precedentes.

Desde los años 70, se ha venido especulando con la posibilidad de que cierto núcleo atómico, a diferencia de otros núcleos, pueda manipularse con un láser: el núcleo del torio-229. Este núcleo tiene dos estados energéticos muy próximos entre sí, tanto que, en principio, bastaría un láser para cambiar el estado del núcleo atómico.

Sin embargo, durante mucho tiempo solo hubo pruebas indirectas de la existencia de esta transición.

Ahora, la transición del torio ha sido provocada por vez primera con láser en un núcleo de este elemento químico.

El logro es obra de un equipo integrado, entre otros, por Thorsten Schumm, de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) en Austria, y Johannes Tiedau, del Instituto Federal Técnico-Físico de Brunswick en Alemania.

Johannes Tiedau en un laboratorio láser. (Foto: PTB Braunschweig)

La comunidad científica llevaba mucho tiempo esperando este momento.

Este cambio de estado del núcleo atómico del torio promete aplicaciones tecnológicas revolucionarias. Podría utilizarse, por ejemplo, para construir un reloj nuclear capaz de medir el tiempo con mayor precisión que los mejores relojes atómicos disponibles en la actualidad. También podría utilizarse para resolver enigmas fundamentales de la física: por ejemplo, la cuestión de si las constantes de la naturaleza son realmente constantes o si cambian en el espacio y el tiempo.

Ahora esta esperanza se ha hecho realidad al constatar la tan buscada transición del torio, cuya energía se conoce ahora con exactitud. Por primera vez ha sido posible utilizar un láser para cambiar el estado energético de un núcleo atómico a un estado de mayor energía y, a continuación, seguir con precisión su regreso al estado original.

Esto permite combinar dos áreas de la física que antes tenían poco contacto entre sí: la física cuántica clásica y la física nuclear.

Schumm, Tiedau y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Physical Review Letters, bajo el título "Laser excitation of the Th-229 nucleus". (Fuente: NCYT de Amazings)