Pentru prima dată în istorie, cercetătorii au utilizat lumina laser pentru a ridica nucleul unui atom de toriu la un nivel energetic superior. Această performanță științifică deschide calea către crearea unei noi generații de ceasuri de o precizie de neegalat, capabile să ne ajute să înțelegem forțele fundamentale din Univers.
Ceasurile atomice, care sunt în prezent cele mai precise pe care le avem, se bazează pe un principiu fascinant al fizicii cuantice. Ele folosesc atomii pentru a măsura timpul cu o precizie extremă. Imaginați-vă un atom ca un sistem solar în miniatură, cu un nucleu în centru și electroni care se rotesc în jurul acestuia. Acești electroni pot ocupa diferite niveluri de energie, la fel ca etajele unei clădiri. Atunci când un electron primește o anumită cantitate de energie, acesta poate „sări” de la un etaj la altul. Aceasta este ceea ce numim o tranziție energetică. Să luăm acum un laser, un fascicul concentrat de lumină. Dacă reglăm frecvența acestui laser astfel încât să corespundă exact energiei necesare pentru a provoca acest salt energetic la un anumit electron, se întâmplă ceva foarte special. Electronul absoarbe energia laserului și sare la un nivel energetic superior. Dar această stare este instabilă, astfel încât electronul revine rapid la starea sa inițială, emițând un foton sau un mic pachet de lumină. Acest fenomen este deosebit de interesant pentru un ceas atomic: frecvența la care sunt emiși acești fotoni este extrem de precisă și constantă. Ea depinde direct de diferența de energie dintre nivelurile electronice ale atomului. Prin măsurarea acestei frecvențe, putem obține o măsură foarte precisă a timpului. În termeni simpli, este ca și cum fiecare „tic-tac” al ceasului ar fi rezultatul unui mic salt energetic al unui electron în atom.
Aceste ceasuri atomice au limitele lor. Electronii pe care se bazează se află în afara atomilor, ceea ce le face vulnerabile la interferențe externe, cum ar fi câmpurile magnetice rătăcite sau alte efecte de mediu. Aceste perturbări pot modifica subtil nivelurile de energie ale electronilor și, în consecință, pot modifica timpul de funcționare al ceasului.
Aici intervine ceasul nuclear. Spre deosebire de ceasurile atomice, acesta ar exploata tranzițiile energetice ale nucleelor din interiorul atomilor, protejându-le de interferențele externe. Până de curând, dificultatea exploatării acestor tranziții consta în faptul că diferențele dintre nivelurile de energie ale nucleelor erau mult mai mari decât cele ale electronilor, ceea ce făcea dificilă utilizarea laserelor pentru a induce aceste tranziții. Ceea ce ne aduce înapoi la această noua realizare, care a fost prezentată într-un articol publicat în în revista Physical Review Letters. Fizicienii au folosit recent lumina laser pentru a ridica nucleul unui atom de toriu la nivelul energetic dorit.
În anii 1970, oamenii de știință au făcut o descoperire fascinantă cu privire la un anumit izotop al toriului, toriul-229. Ei au observat că acest izotop avea un nivel de energie care părea să se afle în intervalul prin care poate trece lumina laser. Lumina laser avea potențialul de a stimula nucleul toriului-229 la un nivel energetic mai ridicat. Specificarea acestui decalaj energetic specific a fost o provocare majoră. Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au trebuit să excite toriul-229 la un nivel energetic mult mai ridicat decât cele două niveluri energetice care îi interesau cu adevărat. Apoi au măsurat diferențele subtile în energia luminii emise atunci când toriul-229 a revenit la nivelul energetic superior. După zeci de ani de eforturi și cercetări, cercetătorii și-au atins în sfârșit scopul. Aceștia au reușit să observe direct un atom de toriu-229 efectuând acest salt între nivelurile de energie, demonstrând o schimbare precisă de energie de 8,35574 electronvolți.
Pentru a observa direct acest atom de toriu-229, cercetătorii au utilizat o metodă sofisticată care implică prinderea atomilor în cristale de fluorură de calciu. Prin izolarea acestora într-un mediu controlat, ei au reușit să creeze condițiile ideale pentru observarea saltului între nivelurile de energie. Înainte de această descoperire, cercetătorii erau limitați de tehnologia disponibilă pentru captarea și manipularea precisă a atomilor de toriu-229. Progresele în tehnici și în manipularea atomilor au fost, prin urmare, esențiale pentru a permite această observație directă.
Acest progres reprezintă un salt cuantic în capacitatea noastră de a cerceta misterele universului cu o precizie fără precedent. Datorită acestei stăpâniri a tranzițiilor energetice ale toriului-229, ne apropiem de o eră în care ceasurile nucleare vor putea măsura timpul cu o precizie incomparabilă. Dincolo de simpla măsurare a timpului, aceste instrumente revoluționare ar putea, de asemenea, să arunce lumină asupra unor întrebări fundamentale cu privire la însăși natura universului, ajutându-ne să explorăm fenomene precum energia și materia întunecată cu o nouă finețe științifică.
