Una película delgada de dióxido de torio de solo 10 nanómetros de espesor está depositada sobre un disco de acero. El pulso láser incide en ella, pero en lugar del brillo esperado, el detector capta un flujo de electrones. Así se logró ver por primera vez la transición nuclear del torio-229 en un material que absorbe por completo su propia radiación. El núcleo invisible habló en el idioma de los electrones.

La transición en el torio-229 es única: su energía es tan baja que el núcleo puede agitarse con un láser común sintonizado a una longitud de onda de unos 148 nanómetros. Pero hasta ahora estos experimentos solo se realizaban en cristales transparentes al vacío ultravioleta, como el fluoruro de calcio o el fluoruro de torio. La transparencia era una condición obligatoria: de lo contrario, el fotón emitido por el núcleo no podría salir y no habría forma de registrarlo. Esto limitaba la elección de materiales e impedía estudiar muchos compuestos de torio, por ejemplo su óxido ThO2.

El nuevo enfoque utiliza otro canal de desintegración del núcleo excitado: la conversión interna. El núcleo transfiere su energía no a un fotón, sino a uno de los electrones propios del átomo, expulsándolo de su capa. El electrón sale del material y puede ser capturado por un detector. Así, la transición nuclear se vuelve audible incluso en un medio opaco. En el experimento se utilizó una placa de microcanales que recogía los electrones mediante campos eléctricos y magnéticos. Para eliminar los fotoelectrones de fondo, el blanco se cargaba alternativamente de forma positiva y negativa, y el detector se activaba con un retraso después del pulso láser. Al escanear la frecuencia del láser, se logró registrar un pico resonante en 2020407.5 GHz, lo que concuerda con las mediciones en cristales transparentes.

La vida media medida del estado isomérico, 12,3 microsegundos, es un orden de magnitud menor que la estimación teórica para un cristal masivo. La discrepancia se explica por defectos y efectos de superficie. Pero incluso esta vida media permite estimar la inestabilidad potencial de un reloj nuclear basado en ThO2: alrededor de 2×10⁻¹⁸ por segundo de promediado. Es el nivel de los mejores relojes atómicos, pero en un dispositivo que cabe en un chip.

El método de espectroscopia de electrones de conversión elimina una limitación fundamental: ahora, para la espectroscopia nuclear del torio, no solo sirven cristales transparentes, sino también óxidos, nitruros y otros compuestos con banda prohibida estrecha. Surge la posibilidad de estudiar cómo el entorno local del núcleo (fonones, estructura electrónica, defectos) afecta la frecuencia de transición y la velocidad de conversión. Y en el futuro, crear relojes nucleares con lectura eléctrica: los electrones de conversión generan una corriente que se puede medir directamente, sin óptica voluminosa.

Una película delgada sobre un disco de acero se convierte en un sensor capaz de captar la señal de un faro invisible: la transición nuclear. Un faro que antes solo podía verse en un medio transparente, ahora se oye también en la oscuridad.