Relógio nuclear - Nuclear clock
| Relógio Nuclear | |
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 Conceito de um relógio óptico nuclear baseado em Thorium-229.
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Um relógio nuclear ou relógio óptico nuclear é um relógio nocional que usaria a frequência de uma transição nuclear como frequência de referência, da mesma maneira que um relógio atômico usa a frequência de uma transição eletrônica na camada do átomo . Espera-se que tal relógio seja mais preciso do que os melhores relógios atômicos atuais por um fator de cerca de 10, com uma precisão alcançável próxima do nível 10-19 . O único estado nuclear adequado para o desenvolvimento de um relógio nuclear usando a tecnologia existente é o tório-229m , um isômero nuclear do tório -229 e o isômero nuclear de menor energia conhecido. Com uma energia de cerca de 8 eV , espera-se que a transição do estado fundamental correspondente seja na região do comprimento de onda ultravioleta do vácuo em torno de 150 nm, o que a tornaria acessível à excitação do laser. Uma revisão abrangente pode ser encontrada na referência.
Princípio da Operação
Os modernos relógios atômicos ópticos são hoje os dispositivos de cronometragem mais precisos. Seu princípio básico de operação é baseado no fato de que a energia de uma transição atômica (a diferença de energia entre dois estados atômicos) é independente do espaço e do tempo. A energia de transição atômica corresponde a uma determinada frequência de uma onda de luz, que é necessária para conduzir a transição. Portanto, uma transição atômica pode ser excitada com a ajuda da luz laser, se a frequência do laser corresponder exatamente à frequência correspondente à energia da transição atômica. Assim, por sua vez, a frequência do laser pode ser estabilizada para coincidir com a energia de transição atômica correspondente por verificação contínua de uma excitação do laser bem-sucedida da transição atômica. Em caso de estabilização bem-sucedida para uma transição atômica, a frequência da luz do laser será sempre a mesma (independente do espaço e do tempo).
É tecnologicamente possível medir a frequência da luz do laser com uma precisão extraordinária, contando as oscilações da onda de luz com a ajuda de um pente de frequência . Isso permite que o tempo seja medido simplesmente contando o número de oscilações da luz do laser, que foi estabilizado para uma transição atômica particular. Esse dispositivo é conhecido como relógio atômico óptico . Um exemplo proeminente para um relógio atômico óptico é o relógio de rede de itérbio (Yb), onde uma transição particular no isótopo de itérbio-171 é usada para estabilização de laser. Neste caso, um segundo se passou após exatamente 518.295.836.590.864 oscilações da luz laser estabilizada para a transição correspondente. Outros exemplos de relógios atômicos ópticos de maior precisão são o relógio de íon único de itérbio (Yb) -171, o relógio de rede óptica de estrôncio (Sr) -87 e o relógio de íon único de alumínio (Al) -27. As precisões alcançadas desses relógios variam em torno de 10 −18 , correspondendo a cerca de 1 segundo de imprecisão em 30 bilhões de anos, significativamente mais do que a idade do universo.
Para um relógio óptico nuclear, o princípio de operação permanece inalterado, no entanto, com a importante diferença de que uma transição nuclear em vez de uma transição de camada atômica é usada para a estabilização do laser. A vantagem esperada de um relógio nuclear em comparação com um relógio atômico é que, figurativamente falando, o núcleo atômico é menor do que a camada atômica em até cinco ordens de magnitude e, portanto (devido a pequenos momentos de dipolo magnético e quadrupolo elétrico), significativamente menos afetado por influências externas como, por exemplo, campos elétricos e magnéticos. Tais perturbações externas são o fator limitante para as precisões alcançadas de relógios baseados em invólucro atômico. Devido a esta vantagem conceitual, espera-se que um relógio óptico nuclear alcance uma precisão de tempo próxima de 10-19 , uma melhoria de dez vezes em relação aos relógios baseados em invólucro atômico.
Diferentes conceitos de relógio nuclear
Dois conceitos diferentes para relógios ópticos nucleares têm sido discutidas na literatura: relógios nucleares com base em armadilha e relógios nuclear de estado sólido .
Relógios nucleares baseados em armadilhas
Para um relógio nuclear baseado em armadilha, ou um único íon 229 Th é preso em uma armadilha Paul, conhecida como relógio nuclear de íon único , ou uma cadeia de íons múltiplos é aprisionada, considerada como o relógio nuclear de íons múltiplos . Espera-se que tais relógios atinjam a maior precisão de tempo, já que os íons estão em grande parte isolados de seu ambiente. Um relógio nuclear de íon múltiplo pode ter uma vantagem significativa sobre o relógio nuclear de íon único em termos de desempenho de estabilidade.
Relógios nucleares de estado sólido
Como o núcleo não é afetado pela camada atômica, também é intrigante incorporar muitos núcleos em um ambiente de rede cristalina. Este conceito é conhecido como relógio nuclear de estrutura cristalina . Devido à alta densidade de núcleos incorporados de até 10 18 por cm 3 , este conceito permitiria irradiar uma grande quantidade de núcleos em paralelo, aumentando drasticamente a relação sinal-ruído alcançável, no entanto, no custo de potencialmente maiores perturbações externas. Também foi proposto irradiar uma superfície metálica 229 Th e sondar a excitação do isômero no canal de conversão interno , que é conhecido como relógio nuclear de conversão interna . Ambos os tipos de relógios nucleares de estado sólido mostraram oferecer o potencial de desempenho comparável.
Requisitos de transição
A partir do princípio de operação de um relógio óptico nuclear, é evidente que a excitação direta do laser de um estado nuclear é um requisito central para o desenvolvimento de um relógio nuclear. Até hoje, nenhuma excitação direta com laser nuclear foi alcançada. A razão central é que a faixa de energia típica das transições nucleares (keV a MeV) é ordens de magnitude acima da energia máxima que é acessível com intensidade significativa pela tecnologia de laser de largura de banda estreita atual (alguns eV). Existem apenas dois estados de excitação nuclear conhecidos, que possuem uma energia de excitação extraordinariamente baixa (abaixo de 100 eV). Estes são 229m Th, um estado excitado nuclear metaestável do isótopo Thorium-229 com uma energia de excitação de apenas cerca de 8 eV e 235m U, um estado excitado metaestável do Urânio-235 com uma energia de 76,7 eV. Por razões de estrutura nuclear, apenas 229m Th oferece uma chance realista de excitação direta do laser nuclear.
Outros requisitos para o desenvolvimento de um relógio nuclear são que o tempo de vida do estado excitado nuclear seja relativamente longo, levando assim a uma ressonância de largura de banda estreita (um fator de alta qualidade) e que o núcleo do estado fundamental esteja facilmente disponível e suficientemente longo -viveu para permitir trabalhar com quantidades moderadas do material. Felizmente, com uma vida útil radiativa de 10 3 a 10 4 segundos de 229m Th e uma vida útil de cerca de 7917 anos de um núcleo 229 Th em seu estado fundamental, ambas as condições são satisfeitas para 229m Th, tornando-o um candidato ideal para o desenvolvimento de um relógio nuclear.
História
A história do relógio nuclear
Um relógio óptico nuclear baseado em 229m Th foi proposto pela primeira vez em 2003 por E. Peik e C. Tamm, que desenvolveram uma ideia de U. Sterr. O artigo contém os dois conceitos, o relógio nuclear de íon único, bem como o relógio nuclear de estado sólido.
Em seu trabalho pioneiro, Peik e Tamm propuseram o uso de íons individuais 229 Th 3+ resfriados a laser em uma armadilha de Paul para realizar espectroscopia de laser nuclear. Aqui, o estado de carga 3+ é vantajoso, pois possui uma estrutura de revestimento adequada para resfriamento direto a laser. Foi proposto ainda excitar um estado de shell eletrônico, para alcançar 'bons' números quânticos do sistema total da shell mais o núcleo que levará a uma redução da influência induzida por campos de perturbação externos. Uma ideia central é sondar o sucesso da excitação do laser do estado nuclear por meio da mudança da estrutura hiperfina induzida na cápsula eletrônica devido aos diferentes spins nucleares do estado fundamental e excitado. Este método é conhecido como método de ressonância dupla .
O desempenho esperado de um relógio nuclear de íon único foi investigado em 2012 por C. Campbell et al. com o resultado de que uma incerteza sistemática de frequência (precisão) do relógio de 1,5 · 10 −19 poderia ser alcançada, o que seria cerca de uma ordem de magnitude melhor do que a precisão alcançada pelos melhores relógios atômicos ópticos de hoje. A abordagem do relógio nuclear proposta por Campbell et al. difere ligeiramente do original proposto por Peik e Tamm. Em vez de excitar um estado de shell eletrônico para obter a maior insensibilidade contra campos de perturbação externos, o relógio nuclear proposto por Campbell et al. usa um par estendido de estados hiperfinos nucleares na configuração do estado fundamental eletrônico, o que parece ser vantajoso em termos do fator de qualidade alcançável e uma supressão aprimorada da mudança Zeeman quadrática.
A abordagem do relógio nuclear de estado sólido foi desenvolvida em 2010 por WG Rellergert et al. com o resultado de uma precisão esperada de longo prazo de cerca de 2 · 10 −16 . Embora se espere que seja menos precisa do que a abordagem do relógio nuclear de íon único devido aos efeitos de alargamento de linha e mudanças de temperatura no ambiente de rede cristalina, esta abordagem pode ter vantagens em termos de compactação, robustez e consumo de energia. O desempenho de estabilidade esperado foi investigado por G. Kazakov et al. em 2012. Em 2020, foi proposto o desenvolvimento de um relógio nuclear de conversão interna .
Passos importantes no caminho em direção a um relógio nuclear foram um experimento de espectroscopia de raios gama de precisão que permitiu determinar a energia isomérica para 7,8 ± 0,5 eV, o resfriamento direto a laser de 229 íons Th 3+ em uma armadilha de Paul alcançado em 2011, o detecção direta do decaimento de 229m Th em 2016 e uma primeira detecção da mudança de estrutura hiperfina induzida por isômero, permitindo que o método de ressonância dupla sondasse uma excitação nuclear bem-sucedida em 2018. Em 2019, a energia do isômero foi medida através da detecção de elétrons de conversão interna emitidos em seu decaimento direto do estado fundamental para 8,28 ± 0,17 eV. Também foi relatada uma primeira excitação bem-sucedida do estado de excitação nuclear de 29 keV de 229 Th via radiação síncrotron. Mais recentemente, uma energia de 8,10 ± 0,17 eV foi obtida da espectroscopia de raios gama de precisão.
A história de 229m Th
Desde 1976, o núcleo 229 Th é conhecido por possuir um estado de excitação de baixa energia, que foi restringido a ser inferior a 10 eV de energia de excitação em 1990 e para o qual um valor de energia de 3,5 ± 1,0 eV foi determinado em 1994. Já em 1996 foi proposto usar a excitação nuclear como uma fonte de luz altamente estável para metrologia por EV Tkalya.
Na época da proposta do relógio nuclear em 2003, os parâmetros de 229m Th, em particular sua energia, não eram conhecidos com precisão suficiente para permitir a espectroscopia de laser nuclear de íons de tório individuais e, portanto, o desenvolvimento de um relógio nuclear. Esse fato desencadeou uma série de esforços experimentais para determinar os parâmetros do estado de excitação, como energia e meia-vida. A detecção da luz emitida na decadência direta de 229m Th ajudaria significativamente a determinar sua energia com maior precisão, porém até hoje todos os esforços falharam em observar um sinal seguro de luz emitido na decadência de 229m Th. O fracasso dos primeiros experimentos em observar qualquer sinal de decaimento direto de 229m Th pode ser parcialmente explicado por uma correção do valor de energia para 7,6 ± 0,5 eV em 2007 (ligeiramente alterado para 7,8 ± 05 eV em 2009). No entanto, também todos os experimentos recentes falharam em observar qualquer sinal de luz emitido no decaimento direto, potencialmente apontando para um forte canal de decaimento não radiativo. Em 2012 e novamente em 2018, foi relatada a detecção de luz emitida na queda de 229m Th, mas os sinais observados estão sujeitos a discussões polêmicas dentro da comunidade.
Uma detecção direta de elétrons como sendo emitidos no canal de decaimento de conversão interno do isômero foi alcançada em 2016. Esta detecção lançou as bases para a determinação da meia-vida de 229m Th em átomos neutros ligados à superfície em 2017 e um primeiro laser-espectroscópico caracterização em 2018. Em 2019, um valor de energia melhorado com base na espectroscopia de conversão interna de elétrons pode ser determinado. Além disso, uma excitação segura do isômero via população do estado de 29 keV com radiação síncrotron foi alcançada. Mais recentemente, dois artigos adicionais sobre a energia isomérica foram publicados.
Formulários
Quando operacional, espera-se que um relógio óptico nuclear seja aplicável em vários campos. As aplicações potenciais podem surgir no campo onde os relógios atômicos de hoje já estão em operação, como, por exemplo, navegação por satélite ou transferência de dados. No entanto, também podem surgir aplicações potencialmente novas nos campos da geodésia relativística, na pesquisa de matéria escura topológica ou na determinação de variações temporais de constantes fundamentais.
Especialmente uma alta sensibilidade de um relógio nuclear para variações potenciais de tempo de constantes fundamentais, por exemplo, a constante de estrutura fina, foi destacada. A ideia central é que uma transição nuclear se acopla de maneira diferente à constante de estrutura fina do que uma transição de camada atômica. Por esta razão, uma comparação da frequência de um relógio nuclear com um relógio atômico poderia levar a uma sensibilidade extraordinariamente alta para variações potenciais de tempo da constante de estrutura fina. O fator de sensibilidade alcançável, no entanto, permanece sujeito a especulação. Uma medição recente é consistente com fatores de realce entre 1 (sem realce) e 10 4 .