El núcleo atómico normalmente vive en un solo estado energético, como una pelota en el suelo. Pero el torio-229 tiene una rara excepción: el núcleo puede quedarse atascado en un pequeño escalón sobre el suelo, en el llamado estado isomérico. Este escalón es tan bajo que se puede alcanzar con luz ordinaria, no con radiación dura. Por eso el isómero de torio-229 se ha convertido en el principal candidato para los relojes nucleares, dispositivos que miden el tiempo mediante las oscilaciones del propio núcleo, no de los electrones que lo rodean.
El problema es cómo llevar el núcleo a ese escalón. El impacto directo, como lanzar la pelota exactamente a una repisa estrecha, requiere una puntería de francotirador y ocurre raramente. Los científicos han propuesto una ruta indirecta: primero lanzar la pelota muy alto y luego dejar que caiga y se enganche en el escalón de camino hacia abajo. En el mundo de los átomos, esto se ve así: un electrón choca contra el núcleo y lo lleva a un nivel de alta energía, luego el núcleo desciende por una cascada de transiciones y, con cierta probabilidad, se detiene en el escalón isomérico.
Los cálculos para dos dispositivos —anillos de almacenamiento (donde los iones de torio giran en círculo) y trampas de iones de haz de electrones (donde los iones se mantienen en una nube de electrones)— mostraron que la ruta en cascada aumenta la producción de isómeros en decenas de miles de veces en comparación con la excitación directa. El impacto electrónico seguido de la cascada da una amplificación de hasta diez mil, y la captura de electrones por el núcleo, unas decenas de veces más. Este salto hace práctica la producción de isómeros de torio-229 y, con ello, acerca la creación de relojes nucleares.
El péndulo de torio, que hoy es tan difícil de poner en marcha, podría oscilar en el futuro en cada centro metrológico, marcando el tiempo con una precisión inalcanzable para los instrumentos actuales. Y todo comienza con que hemos aprendido a capturar el eco atómico en el escalón de la escalera energética.
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2601.22417
The low-energy nuclear isomeric state of \textsuperscript{229m}Th provides a unique bridge between nuclear and atomic physics, enabling applications such as nuclear clocks and precision metrology. However, efficient and controllable production of \textsuperscript{229m}Th remains a major experimental challenge. We propose an efficient scheme to produce the $$^{229\mathrm{m}}$$Th in storage rings (SRs) and electron beam ion traps (EBITs), using a cascade decay pathway. Highly charged ions are excited to higher nuclear states via nuclear excitation by inelastic electron scattering (NEIES) and nuclear excitation by electron capture (NEEC), followed by radiative or internal conversion cascades that populate the isomer. Our calculations demonstrate that, under typical SRs and EBITs conditions, optimized indirect excitation pathways significantly enhance \textsuperscript{229m}Th production rate. In particular, NEIES can provide an enhancement of up to four orders of magnitude through cascade de-excitation at high energies, while NEEC can contribute an additional enhancement of up to several tens of times. Such a significant increase in the \textsuperscript{229m}Th yield rate would facilitate its application in various nuclear photonics fields, especially in the development of atomic nuclear clocks.
La energía del estado isomérico del torio-229 es de solo unos 8 electronvoltios, menos que la energía de un fotón de luz visible. En comparación, las transiciones nucleares típicas requieren millones de electronvoltios. Por eso el isómero puede excitarse con un láser, como un átomo común.
La idea de relojes basados en transiciones nucleares remite a los "cronómetros atómicos" de la ciencia ficción, que mantienen la precisión incluso en el espacio profundo, donde los relojes ordinarios se desajustan.