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Avanço da espectroscopia nuclear pode reescrever as constantes fundamentais da natureza

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Jul 4, 2024
James Terhune/Hudson Group/UCLA Quando preso em um grito transparente e rico em flúor

James Terhune/Hudson Group/UCLA Quando presos em um cristal transparente rico em flúor, os cientistas podem usar um laser para excitar o núcleo de um átomo de tório-229.

As descobertas podem desbloquear o relógio mais preciso de todos os tempos e permitir avanços como navegação no espaço profundo, comunicação

Ciência + Tecnologia

As descobertas podem desbloquear o relógio mais preciso de todos os tempos e permitir avanços como navegação no espaço profundo, comunicação

Principais conclusões

  • Aumentar o estado de energia do núcleo de um átomo usando um laser, ou excitá-lo, permitiria o desenvolvimento dos relógios atômicos mais precisos que já existiram. Isso tem sido difícil de fazer porque os elétrons, que cercam o núcleo, reagem facilmente com a luz, aumentando a quantidade de luz necessária para atingir o núcleo.
  • Ao fazer com que os elétrons se ligassem ao flúor em um cristal transparente, os físicos da UCLA finalmente conseguiram excitar os nêutrons no núcleo de um átomo de tório usando uma quantidade moderada de luz laser.
  • Essa conquista significa que medições de tempo, gravidade e outros campos que são atualmente realizadas usando elétrons atômicos podem ser feitas com ordens de magnitude de precisão maior.

Por quase 50 anos, os físicos sonharam com os segredos que poderiam desvendar ao elevar o estado de energia do núcleo de um átomo usando um laser. A conquista permitiria que os relógios atômicos de hoje fossem substituídos por um relógio nuclear que seria o relógio mais preciso que já existiu, permitindo avanços como navegação e comunicação no espaço profundo. Também permitiria que os cientistas medissem precisamente se as constantes fundamentais da natureza são, de fato, realmente constantes ou apenas parecem ser porque ainda não as medimos com precisão suficiente.

Agora, um esforço liderado por Eric Hudson, professor de física e astronomia na UCLA, conseguiu o aparentemente impossível. Ao incorporar um átomo de tório em um cristal altamente transparente e bombardeá-lo com lasers, o grupo de Hudson conseguiu fazer o núcleo do átomo de tório absorver e emitir fótons como os elétrons em um átomo fazem. O feito surpreendente é descrito em um artigo publicado no periódico Physical Review Letters.

Isso significa que medições de tempo, gravidade e outros campos que são atualmente realizados usando elétrons atômicos podem ser feitas com ordens de magnitude de precisão maior. A razão é que os elétrons atômicos são influenciados por muitos fatores em seu ambiente, o que afeta como eles absorvem e emitem fótons e limita sua precisão. Nêutrons e prótons, por outro lado, são ligados e altamente concentrados dentro do núcleo e sofrem menos perturbações ambientais.

Usando a nova tecnologia, os cientistas podem ser capazes de determinar se constantes fundamentais, como a constante de estrutura fina que define a intensidade da força que mantém os átomos juntos, variam. Dicas da astronomia sugerem que a constante de estrutura fina pode não ser a mesma em todos os lugares do universo ou em todos os pontos do tempo. A medição precisa usando o relógio nuclear da constante de estrutura fina poderia reescrever completamente algumas dessas leis mais básicas da natureza.

“As forças nucleares são tão fortes que significa que a energia no núcleo é um milhão de vezes mais forte do que o que você vê nos elétrons, o que significa que se as constantes fundamentais da natureza se desviarem, as mudanças resultantes no núcleo serão muito maiores e mais perceptíveis, tornando as medições ordens de magnitude mais sensíveis”, disse Hudson. “Usar um relógio nuclear para essas medições fornecerá o teste mais sensível de ‘variação constante’ até o momento e é provável que nenhum experimento nos próximos 100 anos o rivalize.”

O grupo de Hudson foi o primeiro a propor uma série de experimentos para estimular núcleos de tório-229 dopados em cristais com um laser, e passou os últimos 15 anos trabalhando para atingir os resultados recém-publicados. Fazer com que os nêutrons no núcleo atômico reajam à luz do laser é desafiador porque eles são cercados por elétrons, que reagem prontamente à luz e podem reduzir o número de fótons realmente capazes de atingir o núcleo. Uma partícula que aumentou seu nível de energia, como por meio da absorção de um fóton, é considerada em um estado “excitado”.

A equipe da UCLA incorporou átomos de tório-229 em um cristal transparente rico em flúor. O flúor pode formar ligações especialmente fortes com outros átomos, suspendendo os átomos e expondo o núcleo como uma mosca em uma teia de aranha. Os elétrons estavam tão fortemente ligados ao flúor que a quantidade de energia necessária para excitá-los era muito alta, permitindo que luz de menor energia atingisse o núcleo. Os núcleos de tório poderiam então absorver esses fótons e reemiti-los, permitindo que a excitação dos núcleos fosse detectada e medida. Ao alterar a energia dos fótons e monitorar a taxa na qual os núcleos são excitados, a equipe foi capaz de medir a energia do estado excitado nuclear.

“Nós nunca fomos capazes de conduzir transições nucleares como essa com um laser antes”, disse Hudson. “Se você segurar o tório no lugar com um cristal transparente, você pode falar com ele com luz.”

Hudson disse que a nova tecnologia poderia encontrar usos onde quer que extrema precisão na cronometragem seja necessária em sensoriamento, comunicações e navegação. Os relógios atômicos existentes baseados em elétrons são engenhocas do tamanho de uma sala com câmaras de vácuo para capturar átomos e equipamentos associados ao resfriamento. Um relógio nuclear baseado em tório seria muito menor, mais robusto, mais portátil e mais preciso.

“Ninguém fica animado com relógios porque não gostamos da ideia de tempo ser limitado”, ele disse. “Mas usamos relógios atômicos o tempo todo, todos os dias, por exemplo, nas tecnologias que fazem nossos celulares e GPS funcionarem.”

Acima e além das aplicações comerciais, a nova espectroscopia nuclear pode revelar alguns dos maiores mistérios do universo. A medição sensível do núcleo de um átomo abre uma nova maneira de aprender sobre suas propriedades e interações com a energia e o ambiente. Isso, por sua vez, permitirá que os cientistas testem algumas de suas ideias mais fundamentais sobre matéria, energia e as leis do espaço e do tempo.

“Os humanos, como a maioria da vida na Terra, existem em escalas muito pequenas ou muito grandes para observar o que realmente pode estar acontecendo no universo”, disse Hudson. “O que podemos observar de nossa perspectiva limitada é um conglomerado de efeitos em diferentes escalas de tamanho, tempo e energia, e as constantes da natureza que formulamos parecem se manter neste nível.

“Mas se pudéssemos observar com mais precisão, essas constantes poderiam realmente variar! Nosso trabalho deu um grande passo em direção a essas medições e, de qualquer forma, tenho certeza de que ficaremos surpresos com o que aprenderemos.”

“Por muitas décadas, medições cada vez mais precisas de constantes fundamentais nos permitiram entender melhor o universo em todas as escalas e, subsequentemente, desenvolver novas tecnologias que fazem nossa economia crescer e fortalecem nossa segurança nacional”, disse Denise Caldwell, diretora assistente interina da Diretoria de Ciências Matemáticas e Físicas da NSF, que forneceu financiamento para a pesquisa. “Essa técnica baseada em núcleo pode um dia permitir que cientistas meçam algumas constantes fundamentais com tanta precisão que talvez tenhamos que parar de chamá-las de ‘constantes’.”

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