Cientista propõe construção de um laser nuclear

David Harris - Physical Review Focus - 09/05/2011

Um laser baseado na excitação do núcleo dos átomos, em vez dos elétrons, pode ser possível usando uma liga de tório. O laser nuclear emitiria luz visível e seria um passo rumo ao laser de raios gama.
[Imagem: Getty Images/APS]

Laser nuclear

Há anos os físicos tentam construir um laser nuclear - um laser que dependa da excitação dos núcleos dos átomos, e não dos elétrons.

Finalmente, um pesquisador russo está propondo um caminho viável para a criação desse tipo inovador de laser, fundamentando-se em algumas peculiaridades da estrutura nuclear do tório.

Embora seja chamado de "laser nuclear", por se basear no núcleo atômico, ele emite luz visível, e não os raios gama normalmente associados com a radiação nuclear.

Um laser nuclear poderia fornecer uma nova base para medir o tempo - imagine um relógio nuclear, em vez de um relógio atômico - e testar muitas propriedades fundamentais da natureza, como a possível variação das constantes fundamentais da física ao longo do tempo.

Rumo ao laser de raios gama

"O laser de raios-gama real é um sonho da ciência," afirma Eugene Tkalya, da Universidade Estadual de Moscou, na Rússia, afirmando que o interesse dos físicos nesse laser volta-se para estudo da física mais fundamental - mentes mais destrutivas certamente imaginam outros usos para ele.

Contudo, não são muitas as transições eletrônicas nos átomos que emitem raios gama. Assim, os pesquisadores se voltaram para as transições no núcleo atômico.

No entanto, o laser de raios gama, ou graser, tem enfrentado um pesado ceticismo, como ilustrado pelo comentário do físico Hans Frauenfelder, do Laboratório Nacional Los Alamos, depois de uma conversa com Vitali Goldanskii, do Instituto de Química e Física em Moscou: "Querido Vitali, eu sempre achei que um laser de gama é impossível. Depois de sua palestra, ele parece muitas ordens de magnitude menos impossível. Mas eu ainda o considero impossível. "

Os dois grandes desafios têm sido encontrar uma transição nuclear adequada, que possa ser efetivamente excitada em laboratório, e criar a chamada inversão de população, onde há mais núcleos excitados do que não excitados, algo que é necessário para a geração do laser.

Laser nuclear visível

Para resolver estes problemas, Tkalya propõe um laser nuclear na faixa de comprimentos de onda visíveis, e não na faixa dos raios gama. Mas ele seria o primeiro laser nuclear e a melhor aproximação de um laser de raios gama verdadeiro.

O esquema consiste na substituição de alguns átomos de cálcio por tório em um composto de cálcio, lítio, alumínio e flúor (LiCaAlF6).

Por obra da natureza, o núcleo de tório neste material tem uma transição de 10 elétron-volts partindo do seu estado fundamental para um estado excitado, e a transição é diferente em energia das transições dos elétrons no átomo.

Isso significa que fótons visíveis na frequência correta podem evitar os elétrons e interagirem diretamente com o núcleo, de acordo com cálculos do Tkalya.

Para criar uma inversão de população, Tkalya propõe tomar emprestado um truque usado nos lasers atômicos convencionais - usar um terceiro nível de energia, além dos estados fundamental e excitado do núcleo.

O estado fundamental do tório pode ser dividido em vários níveis de energia (subníveis de Zeeman), muito próximos uns dos outros.
[Imagem: E. V. Tkalya]

Aplicando um forte campo magnético, de cerca de 100 tesla, ou um forte gradiente de campo elétrico, de 10 a 18 volts por centímetro quadrado, os experimentalistas poderiam dividir o estado fundamental em vários níveis de energia muito próximos uns dos outros.

Os níveis mais elevados são geralmente vazios - núcleos nestes estados decaem rapidamente a um estado fundamental verdadeiro. Assim, um deles poderia servir como o estado mais baixo para o processo de geração do laser.

No esquema de Tkalya, o núcleo de tório seria bombeado para um estado excitado específico, de longa duração, com fótons de um laser ultravioleta, dando a este estado uma população mais alta do que o estado não-exatamente-fundamental. Esta inversão de população induziria o processo de geração do laser.

Energia de transição

Outra questão para um laser nuclear é que os núcleos devem emitir radiação sem recuo, uma vez que um recuo significativo significaria que um fóton seria emitido com uma frequência deslocada, e não poderia estimular a emissão em outros núcleos.

Como em outros esquemas de laser nuclear, Tkalya mostra que este problema é resolvido pelo efeito Mössbauer, pelo qual os núcleos em um sólido não recuam individualmente, mas fazem com que a rede atômica inteira recue em uma medida minúscula. Esta participação da rede mantém o fóton emitido na frequência correta para estimular outros núcleos.

"Tkalya parece ter sucesso onde outros falharam, em grande parte porque a transição nuclear que ele escolheu tem uma energia de transição muito menor,", comenta Eric Hudson, da Universidade da Califórnia, em Los Angeles. "Um trabalho como esse nos leva mais perto de sermos capazes de interagir de forma coerente com os estados dos núcleos dos átomos e controlá-los."

Hudson afirma que o laser nuclear poderia viabilizar tecnologias como melhores medições do tempo, processamento de informações quânticas e novos tipos de fontes de radiação.

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