Allanar el camino para los relojes nucleares de alto rendimiento del futuro
Desde la navegación por satélite hasta las comunicaciones sincronizadas, la precisión en la medición del tiempo sustenta gran parte de la tecnología moderna. En la vanguardia de este campo se encuentra el torio-229 (229Th), un isótopo poco común con un estado nuclear de energía inusualmente baja que puede activarse mediante luz láser de aproximadamente 148 nanómetros. La incorporación de este isótopo en un cristal transparente, como el fluoruro de calcio, daría lugar algún día a relojes nucleares de estado sólido compactos y de extraordinaria precisión. Sin embargo, existe un obstáculo crucial: los átomos circundantes del cristal alteran los niveles de energía nuclear. Hasta ahora, se desconocía con exactitud cómo este entorno afecta a la transición nuclear. La investigación, apoyada por los proyectos ThoriumNuclearClock(se abrirá en una nueva ventana) y CC4DYN, financiados con fondos europeos, aborda esta incertidumbre al ofrecer datos fundamentales para el diseño de la próxima generación de dispositivos de cronometría.
Descubrimiento de cuatro sitios cristalinos distintos
Investigadores de Austria, Japón y Suiza estudiaron el 229Th incrustado en los cristales de fluoruro de calcio. Mediante un láser de ultravioleta de vacío, el equipo llevó a cabo espectroscopia láser de Mössbauer, ampliando al rango óptico una técnica que se utiliza tradicionalmente para sondear los entornos físicos y químicos de los núcleos. Con un detector a medida se suprimió la radiación de fondo, lo que permitió medir señales nucleares débiles con gran precisión. Publicados en «Science», los resultados(se abrirá en una nueva ventana) del estudio muestran que el 229Th ocupa cuatro sitios microscópicos distintos dentro de la red cristalina, cada uno de los cuales experimenta un entorno de campo eléctrico local diferente. Al combinar la espectroscopia con cálculos de la teoría del funcional de la densidad, el equipo asignó modelos microscópicos a los dos sitios dominantes, que en conjunto representaban más del 90 % de la señal detectada en el ultravioleta de vacío. «Al resolver los espectros nucleares sitio por sitio, establecimos una forma de investigar cómo se incorporan los átomos de 229Th a un sólido y cómo su entorno inmediato afecta a la transición nuclear», afirma el autor principal del estudio, Takahiro Hiraki, profesor adjunto de la Universidad de Okayama (Japón), en una noticia(se abrirá en una nueva ventana) publicada en la página web de la universidad. «Esta información es esencial para comprender y diseñar los entornos cristalinos necesarios para los futuros relojes nucleares de estado sólido».
Diseño de cristales para mejorar el rendimiento
Más allá de identificar los sitios, el equipo utilizó la excitación selectiva por sitio para comparar cómo se comporta el estado nuclear en cada entorno. La vida media radiativa del estado excitado resultó ser constante, de aproximadamente seiscientos treinta segundos, en todos los sitios, pero la eficiencia con la que la luz láser extinguía este estado variaba considerablemente entre ellos. Esta variación es importante porque determina la capacidad de un cristal para conservar la excitación nuclear que alimenta el reloj. «La fuerte variación en la extinción entre los distintos sitios demuestra que el entorno cristalino local no es meramente un hospedador pasivo», señala el autor principal, Koji Yoshimura, catedrático de la Universidad de Okayama. «Identificar qué estructuras conservan la excitación nuclear y cuáles favorecen su pérdida nos ayudará a determinar cómo preparar cristales con un rendimiento mejorado». El estudio, financiado por los proyectos ThoriumNuclearClock (Thorium nuclear clocks for fundamental tests of physics) y CC4DYN (A quantum chemical approach to dynamic properties of real materials), consolida la espectroscopia de Mössbauer láser como un método fiable para revelar los entornos microscópicos del torio en sólidos. De este modo, se sientan las bases para la construcción de relojes compactos que serían un avance en la navegación, la comunicación sincronizada y nuevas formas de medición de precisión. Para más información, consulte: Página web del proyecto ThoriumNuclearClock(se abrirá en una nueva ventana) Proyecto CC4DYN
