Pesando una hormiga encima de un elefante: El salto cuántico inclina la balanza

Un pequeño cambio en la masa de los átomos individuales medido por primera vez

08.05.2020 - Alemania

Una nueva puerta al mundo cuántico: cuando un átomo absorbe o libera energía a través del salto cuántico de un electrón, se vuelve más pesado o más ligero, según la teoría de la relatividad de Einstein (E = mc²). Sin embargo, el efecto es minúsculo para un solo átomo. No obstante, el equipo de Klaus Blaum y Sergey Eliseev en el Instituto Max Planck de Física Nuclear ha medido con éxito este minúsculo cambio en la masa de los átomos individuales por primera vez. Para lograrlo, utilizaron el ultra-preciso balance atómico Pentatrap en el instituto de Heidelberg. El equipo descubrió un estado cuántico no observado previamente en el renio, que podría ser interesante para los futuros relojes atómicos.

Sorprendente, pero cierto: si le das cuerda a un reloj mecánico, se vuelve más pesado. Lo mismo ocurre cuando cargas tu smartphone. Esto puede explicarse por la equivalencia de la energía (E) y la masa (m), que Einstein expresó en la fórmula más famosa de la física: E = mc² (c: velocidad de la luz en el vacío). Sin embargo, este efecto es tan pequeño que elude completamente nuestra experiencia cotidiana. Una balanza convencional no sería capaz de detectarlo.

Pero en el Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, hay un equilibrio que puede: Pentatrap. Puede medir el minúsculo cambio de masa de un solo átomo cuando un electrón en él absorbe o libera energía a través de un salto cuántico, abriendo así un nuevo mundo para la física de precisión. Tales saltos cuánticos en las envolturas de electrones de los átomos dan forma a nuestro mundo, ya sea en la fotosíntesis que da vida y en las reacciones químicas generales o en la creación del color y nuestra visión.

Una hormiga encima de un elefante

Rima Schüssler, que ahora es una becaria de postdoctorado en el Instituto Max Planck de Física Nuclear, ha ayudado a construir Pentatrap desde que completó su tesis de maestría en 2014. Es la autora principal de un artículo sobre un descubrimiento inesperado hecho en una colaboración en el Centro Max Planck PTB Riken: En el renio, hay un estado cuántico electrónico no descubierto anteriormente con propiedades especiales. Schüssler utiliza la siguiente analogía para describir el grado de sensibilidad con el que Pentatrap puede detectar el salto de un electrón a este estado cuántico a través del cambio de masa de un átomo de renio: "Pesando un elefante de seis toneladas, fuimos capaces de determinar si una hormiga de diez miligramos se arrastraba sobre él".

Pentatrap consiste en cinco trampas Penning. Para que una trampa de este tipo sea capaz de pesar un átomo, debe estar cargada eléctricamente (es decir, convertirse en un ión). Debido a que el renio fue despojado de 29 de sus 75 electrones, está altamente cargado. Esto aumenta dramáticamente la precisión de la medición. La trampa captura este ión de renio altamente cargado en una combinación de un campo magnético y un campo eléctrico de forma especial. En su interior, viaja en un camino circular, que está intrincadamente retorcido en sí mismo. En principio, se puede pensar en una bola en una cuerda, a la que se le permite girar en el aire. Si esto se hace con una fuerza constante, una bola más pesada gira más lentamente que una más ligera.

Un estado cuántico extremadamente longevo en el renio

En Pentatrap, dos iones de renio rotaban alternativamente en las trampas apiladas. Uno de los iones estaba en el estado cuántico más bajo de energía. Cuando se generó el segundo ión, un electrón fue excitado aleatoriamente a un estado superior suministrando energía. En cierto sentido, era el reloj de cuerda. Debido a la energía almacenada, se hizo marginalmente más pesado y por lo tanto circuló más lentamente que el primer ión. Pentatrap cuenta con precisión el número de revoluciones por unidad de tiempo. La diferencia en el número de revoluciones produjo el aumento de peso.

Usando este método, el equipo descubrió un estado cuántico extremadamente longevo en el renio. Es metaestable (es decir, se descompone después de una cierta vida). Según los cálculos de los teóricos del instituto dirigido por Zoltán Harman y Christoph H. Keitel, la Universidad de Heidelberg y el Laboratorio Kastler Brossel de París, se trata de 130 días. La posición del estado cuántico también concuerda bastante bien con los cálculos de los modelos que utilizan métodos de mecánica cuántica de última generación.

Posible aplicación en futuros relojes atómicos

Estos excitados estados electrónicos en iones altamente cargados son interesantes para la investigación básica, así como para su posible aplicación en futuros relojes atómicos, tal como ha investigado el grupo de trabajo de José Crespo López-Urrutia en el Instituto en cooperación con el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Para ellos, el estado metaestable en el renio es atractivo por varias razones. En primer lugar, debido a su longevidad, corresponde a una frecuencia orbital aguda del electrón alrededor del núcleo atómico. En segundo lugar, el electrón puede ser excitado con una suave luz de rayos X para saltar a este estado cuántico. En principio, un reloj de este tipo podría funcionar más rápido y, por lo tanto, con mayor precisión que la actual generación de relojes atómicos ópticos. Sin embargo, según Ekkehard Peik, que está a cargo del Departamento de "Tiempo y Frecuencia" en la PTB y que no participó en el trabajo, todavía es demasiado pronto para especular si el descubrimiento podría ser adecuado para una nueva generación de relojes atómicos.

"Sin embargo, este nuevo método para descubrir estados cuánticos de larga duración es espectacular", subraya el físico. Imagina que los relojes atómicos que trabajan con estos nuevos estados cuánticos podrían ofrecer inicialmente un nuevo campo de pruebas para la investigación básica. Debido a que los iones de renio carecen de muchos electrones que se apantallen mutuamente, los electrones restantes sienten el campo eléctrico del núcleo atómico con especial fuerza. Por lo tanto, los electrones corren alrededor del núcleo a velocidades tan altas que su movimiento debe ser descrito usando la teoría de la relatividad especial de Einstein. Con el nuevo equilibrio atómico, también sería posible probar con gran precisión si la relatividad especial y la teoría cuántica interactúan como se describe en esta teoría.

En general, la nueva balanza atómica ofrece un novedoso acceso a la vida interior cuántica de los átomos más pesados. Debido a que estos consisten en muchas partículas - electrones, protones y neutrones - no pueden ser calculados con exactitud. Los modelos atómicos para los cálculos teóricos se basan, por lo tanto, en simplificaciones, y ahora pueden ser comprobados con extrema precisión. Podría ser posible utilizar tales átomos como sondas en la búsqueda de partículas desconocidas, que sólo pueden ser detectadas por la fuerza gravitatoria extremadamente débil. Esta materia oscura es uno de los mayores misterios sin resolver de la física.

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