Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg controlou coerentemente as excitações nucleares usando luz de raios-X de formato adequado pela primeira vez. No experimento realizado no European Synchrotron ESRF, eles alcançaram uma estabilidade de controle temporal de alguns zeptosegundos. Isso forma a base para novas abordagens experimentais que exploram o controle da dinâmica nuclear, que podem levar a padrões de tempo futuros mais precisos e abrir novas possibilidades no caminho para baterias nucleares.

Experimentos modernos em dinâmica quântica podem controlar os processos quânticos de elétrons em átomos em grande parte por meio de campos de laser. Contudo, a vida interna dos núcleos atômicos geralmente não desempenha nenhum papel porque sua energia característica, as escalas de tempo e comprimento são tão extremas que praticamente não são afetadas pelos campos de laser. Novas abordagens trazem nova vida à física nuclear, explorando essa insensibilidade a distúrbios externos e usando as escalas extremas dos núcleos atômicos para medições particularmente precisas. Assim, Os núcleos atômicos podem responder aos raios X com uma energia extremamente bem definida, estimulando núcleons individuais - semelhantes aos elétrons na camada atômica. Essas transições podem ser usadas como mecanismo de relógio para relógios nucleares precisos, e isso requer a medição das propriedades nucleares com a mais alta precisão.

Uma equipe de pesquisadores em torno de físicos do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg agora deu um passo à frente não apenas medindo a dinâmica quântica de núcleos atômicos, mas também controlando-os usando pulsos de raios-X de formato adequado com estabilidade temporal anteriormente não atingida de alguns zeptosegundos - um fator 100 melhor do que qualquer coisa anteriormente alcançada. Isso abre a caixa de ferramentas do controle coerente, que foi estabelecida com sucesso em espectroscopia óptica, para núcleos atômicos - fornecendo possibilidades e perspectivas completamente novas.

O chamado controle coerente usa as propriedades de onda da matéria para controlar processos quânticos por meio de campos eletromagnéticos, por exemplo. pulsos de laser. Além da frequência ou comprimento de onda, cada fenômeno de onda é caracterizado pela amplitude (altura da onda) e fase (posição temporal das cristas e vales das ondas). Uma analogia simples é o controle de uma oscilação oscilante por meio de empurrando como uma onda. Por esta, o tempo exato (fase) do empurrão em relação ao movimento de balanço deve ser controlado. Se o balanço que se aproxima é empurrado, é desacelerado. Se, por outro lado, se afasta, sua deflexão é aumentada pelo impulso.

Analogamente, as propriedades mecânicas quânticas da matéria podem ser controladas por meio da direção correspondentemente precisa dos campos de laser aplicados. Nas últimas décadas, tem havido grande progresso e sucesso no controle coerente de átomos e moléculas, com uma precisão temporal de luz até a faixa de attossegundos, a bilionésima parte de um bilionésimo de segundo, que corresponde à escala de tempo natural dos elétrons nos átomos. Objetivos de pesquisa importantes com possíveis aplicações futuras são, por exemplo, o controle de reações químicas ou o desenvolvimento de novos, padrões de tempo mais precisos.

Nos últimos anos, a disponibilidade de novas fontes de radiação para raios-X com qualidade laser (radiação síncrotron e lasers de elétrons livres) abriu um novo campo:a óptica quântica nuclear. Físicos dos departamentos de Christoph Keitel e Thomas Pfeifer no Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg agora conseguiram, pela primeira vez, demonstrar controle coerente de excitações nucleares por raios-X no Síncrotron ESRF europeu (Grenoble, França) em cooperação com pesquisadores do DESY (Hamburgo) e do Helmholtz Institute / Friedrich Schiller University (Jena). Uma estabilidade do controle coerente de alguns zeptosegundos (um milésimo de um attossegundo) foi alcançada.

No experimento, os pesquisadores em torno do líder do projeto Jörg Evers (MPIK) usaram duas amostras enriquecidas com o isótopo de ferro 57 Fe, que são irradiados com pulsos de raios X curtos do síncrotron (Fig. 1). Na primeira amostra, eles geraram um pulso de raio-X duplo controlável, que foi então usado para controlar a dinâmica dos núcleos na segunda amostra. As excitações nucleares investigadas - que desexcitam novamente pela emissão de raios X - são caracterizadas por uma nitidez muito alta de energia:as chamadas transições de Mössbauer. A descoberta do efeito subjacente (Prêmio Nobel de 1961) foi feita por Rudolf Mössbauer em 1958 no MPI for Medical Research, do qual o MPIK se separou no mesmo ano.

Para gerar o pulso duplo, os núcleos da primeira amostra são excitados pelo pulso curto de raios-X e, devido à nitidez de alta energia, libere esta excitação comparativamente lenta na forma de um segundo pulso de raios-X. No experimento, a amostra é deslocada rapidamente entre a excitação e a desexcitação por uma pequena distância correspondente a cerca de metade do comprimento de onda dos raios-X. Isso muda o tempo de voo do segundo pulso para a segunda amostra, e, assim, muda a posição das ondas dos dois pulsos de raios-X (fase relativa) um em relação ao outro.

Este pulso duplo agora permite controlar os núcleos na segunda amostra. O primeiro pulso excita uma dinâmica mecânica quântica no núcleo, análogo ao balanço oscilante. O segundo pulso muda essa dinâmica, dependendo da fase relativa dos dois pulsos de raios-X. Por exemplo, se a onda do segundo pulso atinge a segunda amostra em fase com a dinâmica nuclear, os núcleos ficam ainda mais excitados. Ao variar a fase relativa, os pesquisadores foram capazes de alternar entre mais excitação dos núcleos e desexcitação dos núcleos, e assim controlar o estado quântico-mecânico dos núcleos. Isso pode ser reconstruído a partir das estruturas de interferência medidas da radiação de raios-X por trás da segunda amostra (Fig. 2).

Uma analogia acústica é ilustrada na Fig. 3:Aqui, os núcleos Mössbauer das amostras correspondem a diapasões que são excitados por um pequeno estrondo ("tiro inicial, "análogo ao pulso síncrotron) e, por sua vez, soam levemente amortecidos com sua frequência precisamente definida. O som do primeiro garfo atinge o segundo garfo após o estrondo como uma excitação adicional. No caso (a), esta onda sonora se move em direção oposta à segunda bifurcação, de modo que sua oscilação é desexcitada. No caso (b), o primeiro garfo é deslocado rapidamente para que seu som corresponda ao movimento do segundo garfo e assim o excite mais.

Dadas as demandas extremas necessárias para controlar os núcleos atômicos (o deslocamento da primeira amostra em meio comprimento de onda é da ordem de um raio atômico), a influência aparentemente pequena de distúrbios externos na qualidade do experimento é surpreendente. No entanto, isso funciona, devido à curta duração de uma sequência de medição, durante o qual os principais movimentos perturbadores são virtualmente congelados. Esta estabilidade é um pré-requisito para futuras novas aplicações baseadas em transições nucleares:padrões de tempo mais precisos, investigação da variação das constantes fundamentais ou a procura de novas físicas para além dos modelos aceites.

No campo da dinâmica atômica, controle de longo alcance é a chave para muitas aplicações. As possibilidades aqui demonstradas abrem portas para novas abordagens experimentais baseadas no controle da dinâmica nuclear, por exemplo. preparando núcleos em estados quânticos específicos, permitindo medições mais precisas. Na medida em que as futuras fontes de raios-X permitiriam uma excitação mais forte dos núcleos, Baterias nucleares que podem armazenar e liberar grandes quantidades de energia em excitações internas dos núcleos sem fissão ou fusão nuclear também seriam concebíveis.