- Físicos conseguiram pela primeira vez excitar diretamente por laser a transição do tório-229 perseguida há décadas, estabelecendo a base experimental para tecnologias ultraprecisas como relógios nucleares
- Transições nucleares normalmente exigem pelo menos 1.000 vezes mais energia do que transições eletrônicas, mas o tório-229 vinha sendo considerado um candidato excepcional porque seus dois estados de energia são muito próximos
- Equipes da TU Wien e da PTB investigaram simultaneamente cerca de 10^17 núcleos usando um cristal especial contendo grande quantidade de átomos de tório e, em 21 de novembro de 2023, ajustaram com precisão a energia de transição e obtiveram um sinal claro
- Com a energia de transição confirmada, tornou-se possível acompanhar com precisão o processo de elevar o núcleo atômico a um estado de maior energia e trazê-lo de volta, abrindo um caminho experimental entre a física quântica clássica e a física nuclear
- Esse resultado pode levar a experimentos de física fundamental, como um relógio nuclear mais preciso do que os melhores relógios atômicos atuais, análise de campos gravitacionais e verificação de variações temporais e espaciais das constantes naturais
Transição do tório-229 induzida por laser pela primeira vez
- Físicos conseguiram induzir pela primeira vez com laser um estado excitado na transição do tório procurada há muito tempo
- Agora que a energia de transição é conhecida com precisão, é possível acompanhar detalhadamente o processo de levar o núcleo atômico a um estado de energia mais alto e depois observar seu retorno ao estado original
- O resultado foi obtido em conjunto pelo grupo de pesquisa de Thorsten Schumm, da TU Wien, e pela equipe do National Metrology Institute Braunschweig (PTB), e publicado na Physical Review Letters
- A principal conquista foi a primeira excitação a laser direcionada de um núcleo atômico
Por que é difícil manipular núcleos atômicos
- Átomos e moléculas podem passar de um estado quântico para outro quando o comprimento de onda do laser é ajustado com precisão
- Hoje isso é usado em relógios atômicos, análise química e armazenamento de informação atômica e molecular em computadores quânticos
- Núcleos atômicos também podem transitar entre diferentes estados quânticos, mas normalmente a energia necessária é muito maior
- A mudança de estado nuclear costuma exigir pelo menos 1.000 vezes mais energia do que a dos elétrons em átomos ou moléculas
- A energia de fótons de lasers comuns não basta para manipular núcleos atômicos
- Núcleos atômicos são muito menores do que átomos ou moléculas e, por isso, são menos sensíveis a perturbações externas como campos eletromagnéticos
- Por essa característica, em princípio eles são adequados para medições de precisão sem precedentes
A busca pela energia de transição, como procurar uma agulha
- Desde os anos 1970 havia a hipótese de que o tório-229 pudesse ser um núcleo especial manipulável por laser
- O tório-229 tem dois estados de energia muito próximos, de modo que, em princípio, um laser pode ter energia suficiente para alterar o estado do núcleo atômico
- Para induzir a transição, é preciso conhecer a energia de transição com extrema precisão
- Saber a energia de transição com precisão de 1 elétron-volt não é suficiente
- Para detectar a transição, é necessário ajustar com precisão de cerca de um milionésimo de elétron-volt
- A equipe comparou essa busca a procurar uma agulha em um palheiro ou um pequeno baú de tesouro enterrado em uma ilha de quilômetros de extensão
Como um cristal especial ampliou o sinal
- Alguns grupos tentaram estudar núcleos de tório prendendo-os um a um em armadilhas eletromagnéticas, mas a equipe da TU Wien desenvolveu um cristal especial contendo muitos átomos de tório
- Fabian Schaden e a equipe da PTB participaram do desenvolvimento do cristal e das medições
- Embora tecnicamente complexo, isso permite investigar simultaneamente um número enorme de núcleos, e não apenas núcleos individuais
- O laser foi direcionado ao mesmo tempo para cerca de 10^17 núcleos de tório
- Isso corresponde a cerca de um milhão de vezes o número de estrelas da nossa galáxia
- O grande número de núcleos amplifica o efeito, reduz o tempo de medição necessário e aumenta a probabilidade de encontrar a transição real
- Em 21 de novembro de 2023, a equipe ajustou com precisão a energia correta da transição do tório e obteve pela primeira vez um sinal claro do núcleo atômico
- O feixe de laser realmente alterou o estado do núcleo atômico
- Depois disso, os dados foram revisados e avaliados antes da divulgação do resultado
Possibilidades para relógios nucleares e medições de precisão
- Agora que se sabe como excitar o estado do tório, essa tecnologia pode ser usada em medições de precisão
- Um dos objetivos de longo prazo é construir um relógio nuclear
- Assim como um relógio de pêndulo usa a oscilação do pêndulo como referência de tempo, a oscilação da luz que excita a transição do tório pode servir como referência temporal para um novo relógio
- Esse relógio pode ser muito mais preciso do que os melhores relógios atômicos disponíveis hoje
- Além da medição do tempo, ele também pode ser usado para analisar com mais precisão o campo gravitacional da Terra
- Isso pode oferecer pistas sobre recursos minerais ou terremotos
- Esse método de medição também pode ser aplicado a questões de física fundamental, como verificar se as constantes naturais são realmente constantes ou se pequenas variações ao longo do tempo podem ser medidas
- A equipe afirma que o método atual de medição é apenas um ponto de partida e que ainda não é possível prever quais resultados serão obtidos no futuro
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Sou um dos autores do artigo; se tiverem alguma dúvida, posso responder. Fico feliz em ver isso por aqui
Esta medição já foi confirmada por outro grupo: https://arxiv.org/abs/2404.12311
Isso é importante porque impurezas no cristal usado no experimento podem gerar todo tipo de fluorescência e ser confundidas com o sinal dos íons de tório. Agora que dois grupos viram exatamente o mesmo sinal em cristais dopados com tório diferentes, fica mais convincente que eles de fato encontraram a transição nuclear
É meio estranho que o novo artigo esteja disponível só no site do grupo de pesquisa [1], e não no arXiv
[1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
O texto diz: “Se o comprimento de onda do laser for ajustado com precisão … talvez seja possível manipular com laser um núcleo atômico especial chamado tório-229. Em 21 de novembro de 2023, a equipe finalmente conseguiu. Eles acertaram a energia exata da transição do tório, e o núcleo de tório emitiu um sinal claro pela primeira vez”; então fiquei curioso para saber qual era o comprimento de onda
A resposta é 148,3821 nm. Claro, para mim também é um número sem muito significado. Parecia uma manchete dizendo que encontraram o Malaysia Airlines MH-370 em algum oceano do mundo, mas sem informar a localização porque um número como “148,3821 km a sul-sudeste das Ilhas Cocos” não significaria muito para a maioria das pessoas
Se tratarmos a luz visível como uma oitava e imaginarmos que as “notas” das cores dão a volta do vermelho de volta ao azul, isso corresponderia a um azul uma oitava acima do azul visível
Pequenas melhorias em tolerâncias e materiais mudam muito o que é economicamente viável no fim da cadeia ciência-engenharia-fabricação. “Fabricamos algo com maior precisão” geralmente é uma grande notícia. Basta olhar para semicondutores: uma indústria inteira cria valor enorme a partir da capacidade de mover átomos alguns nanômetros melhor
O fato de o artigo ter deixado de fora o número central parece um problema, mas, na verdade, o nível esperado do leitor já é baixo. Esse número pode vir a valer mais de 1 trilhão de dólares para a humanidade, mas a maioria provavelmente o verá como uma curiosidade para comentar em festas
Os comprimentos de onda dos candidatos atuais https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 ficam entre 750 nm e 250 nm. O padrão de frequência de césio usa um comprimento de onda de 32,6 mm, portanto é cerca de 100.000 vezes maior que os padrões de frequência óptica
Considerando apenas a frequência, não entendo bem por que a transição nuclear do tório seria muito melhor que uma transição óptica, a menos que o ponto central do interesse seja justamente escalar para frequências mais altas
Por isso, de certo ponto de vista, dá para imaginar de forma divertida que o fóton emitido quando o estado nuclear retorna ao estado fundamental poderia ser chamado de “ultravioleta gama”
https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
Na prática, ninguém chamaria isso de raio gama, mas é uma ideia interessante
Olhando para o quadro geral da cromodinâmica quântica, é bastante chocante o quão pouco sabemos de fato, com certeza, sobre a estrutura interna do próton ou sobre núcleons
É a maldição de “sondar” com energias enormes. É difícil ter 100% de certeza se estamos detectando algo que realmente existe ali ou vendo subprodutos da energia gigantesca da colisão
Físicos são inteligentes e fazem coisas que eu não consigo fazer. Ainda assim, há limites para a certeza, e em especial ainda há primeiros princípios desconhecidos operando dentro do próton. Espero que levar a precisão dos fótons e dos lasers para esse mundo dos núcleons seja algo enorme
Isso, por sua vez, pode se tornar uma forma de sondar efeitos de gravidade quântica
1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay
Fico feliz em ver que isso realmente aconteceu. Quando tentamos fazer isso com íons aprisionados no passado, eu e meus colegas da GaTech fomos os primeiros a aprisionar e resfriar a laser Th(232) 3+
https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...
A parte que diz que “poderia analisar o campo gravitacional da Terra com muito mais precisão, fornecendo indícios de recursos minerais ou terremotos” não teria também aplicações militares?
Poderia ser usado como substituto do GPS em submarinos nucleares
https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
https://news.ycombinator.com/item?id=36222625
Segundo o artigo, a luz fica em torno de 140 nm, ou seja, UV-C perto de 8,4 eV. Mas, para provocar a transição, a energia precisa bater com extrema precisão, porque o estado nuclear não tem para onde descartar a energia excedente
A relação de incerteza costuma ser escrita como delta-p delta-x > hbar/2, mas também pode ser escrita como delta-t delta-E > hbar/2. Então, se a meia-vida é muito longa, delta-E pode ficar extremamente pequeno
Esse fato é usado na espectroscopia Mössbauer, isto é, na emissão gama sem recuo em sólidos. O pico é tão estreito que Pound e Rebka o usaram para detectar o desvio para o vermelho gravitacional em um laboratório de Harvard em 1960, e em 1964 chegaram a 1% de precisão
https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
O único outro estado atômico excitado que conheço é o estado excitado do ferro usado na espectroscopia Mössbauer, e essa transição tem energia muito mais alta. Além disso, ali há algum acoplamento com o estado eletrônico do núcleo. Também fico curioso se há algum motivo especial para essa transição do tório não se acoplar aos estados eletrônicos
Dizem que “analisar o campo gravitacional da Terra com extrema precisão pode fornecer indícios de recursos minerais”; fico curioso para saber como isso é possível
Já pensei numa ideia meio de ficção científica de que uma medição do campo gravitacional suficientemente sensível talvez pudesse detectar um submarino passando. Não tenho certeza da matemática, mas, se fosse possível, poderia neutralizar boa parte da estratégia nuclear. Preciso fazer umas contas
O pêndulo de Eötvös, ou balança de torção de Eötvös, projetado em 1888, deu início a esse tipo de medição. Na década de 1920, geofísicos o usavam com frequência para medir gradientes do campo gravitacional com altíssima precisão e mapear depósitos subterrâneos
Depois, ele foi substituído por equipamentos de prospecção melhores. Esse aparelho foi criado originalmente para um experimento destinado a mostrar, com precisão muito alta, que massa inercial e massa gravitacional são iguais — mais exatamente, linearmente correlacionadas
https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
https://www.nature.com/articles/118406a0
Detectar submarinos é muito mais difícil e, como outros já disseram, na prática é impossível
Se me lembro bem, a Royal Navy testou isso oficialmente pela primeira vez no ano passado
Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
O alcance de detecção é bem curto, mas ainda é suficiente para ser usado a partir de aeronaves voando acima
Este resultado é um passo rumo ao objetivo de criar um relógio atômico que use tório-229 — e o passo mais importante entre eles
Já me disseram que esse sonho é impossível, mas, se eu pudesse usar um dos meus desejos de gênio da lâmpada, escolheria esse. Hoje eles se partem por metade da tabela periódica e criam todo tipo de dor de cabeça
Não tenho tempo para escrever em detalhes agora, mas esta é uma notícia realmente empolgante
Encontrar a linha do tório era um dos problemas em aberto mais importantes em medições de precisão e fundamentais