Desarrollan un nuevo método para investigar la estructura interna de los átomos
Se revelan propiedades hasta ahora desconocidas del elemento samario
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La capacidad de describir la estructura interna de los átomos es importante no sólo para comprender la composición de la materia, sino también para diseñar nuevos experimentos que exploren la física fundamental. Los experimentos específicos requieren muestras de átomos o moléculas con propiedades particulares, que dependen en gran medida del fenómeno a explorar. Sin embargo, el conocimiento de la estructura de niveles de energía de muchos átomos sigue siendo incompleto, sobre todo en el caso de los átomos de tierras raras y actínidos.
La célula de samario a alta temperatura (~1040 °C) durante el experimento.
Razmik Aramyan
La espectroscopia es una de las técnicas más utilizadas para estudiar la estructura de los átomos. Esta técnica se basa en el principio de que los electrones absorben o emiten energía cuando se mueven entre los niveles de energía de un átomo. Cada elemento tiene un conjunto único de longitudes de onda de luz que se emiten o absorben debido a estas transiciones. Esto se conoce como espectro atómico.
"La espectroscopia de banda ancha y alta resolución es esencial para las medidas de precisión en física atómica y la búsqueda de nuevas interacciones fundamentales", explica Razmik Aramyan, estudiante de doctorado en el grupo del Prof. Dr. Dmitry Budker y autor principal del artículo. "Pero los avances se ven a menudo obstaculizados por la dificultad de medir espectros atómicos complejos, debido principalmente a dos limitaciones técnicas: la dificultad de distinguir adecuadamente las señales emitidas por la muestra y el rango limitado de longitudes de onda que pueden detectar los instrumentos." Para superar esas limitaciones, Aramyan y sus colaboradores han aplicado y perfeccionado un método conocido como espectroscopia de doble peine (DCS), que permite medir espectros atómicos en una amplia banda de frecuencias electromagnéticas con gran resolución y alta sensibilidad.
La DCS se basa en la técnica de peine de frecuencias ópticas, por la que se concedió el Premio Nobel de Física en 2005. Los peines de frecuencias ópticas son láseres especializados que miden frecuencias exactas de luz. En la DCS, dos de estos peines se utilizan en modo coherente, lo que permite realizar mediciones más precisas del espectro de la muestra que con los métodos convencionales.
Para detectar señales débiles con gran precisión -uno de los retos de la DCS-, el grupo también implementó fotodetectores múltiples para mejorar lo que se conoce como relación señal-ruido. Esta combinación permitió leer con claridad los datos experimentales y determinar las distintas longitudes de onda del espectro. "Este estudio introduce un enfoque DCS multicanal mejorado que combina un conjunto de fotodetectores con un novedoso esquema para resolver las ambigüedades de frecuencia, lo que permite realizar mediciones de banda ancha sin ambigüedades y con una elevada relación señal-ruido", resume Aramyan.
Este es el primer paso hacia la implementación de "Espectroscopia 2.0", un proyecto internacional que pretende desarrollar lo que se conoce como una "herramienta espectroscópica masivamente paralela": una que pueda realizar un gran número de mediciones espectroscópicas simultáneamente. Esta herramienta se utilizará para realizar espectroscopia de espectros atómicos y moleculares densos bajo campos magnéticos intensos.
Primera aplicación con éxito: el espectro del vapor de samario
El DCS es especialmente adecuado para colmar lagunas en los datos atómicos, como confirma la presente publicación. Gracias a su innovador enfoque, Aramyan y sus colegas pudieron registrar el espectro del vapor de samario a diferentes temperaturas y analizar el comportamiento espectral a distintas concentraciones de samario. Al comparar sus resultados con conjuntos de datos existentes, hallaron líneas espectroscópicas desconocidas hasta entonces.
"Hemos descubierto varias líneas de absorción de samario no descritas anteriormente. Esto ilustra el potencial de nuestro método para descubrir propiedades atómicas desconocidas hasta ahora. Abre posibilidades prometedoras para la espectroscopia paralela masiva, por ejemplo para la espectroscopia de átomos en campos magnéticos pulsados y ultraelevados", concluye Aramyan.
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