Isótopos del torio

^{El 229Th} tiene un isómero nuclear , ^229m.Th , con una energía de excitación notablemente baja de8,355 733 554 021 (8)  eV . ^{[ 6 ]} Esto le confiere varias propiedades notables.

Debido a que esta energía es del mismo orden de magnitud que la energía de ionización del electrón (como referencia, la energía de ionización del hidrógeno es de 13,6 eV), la tasa de desintegración del ^229m Th es sensible al entorno electrónico del núcleo. En el ²²⁹ Th neutro, el isómero se desintegra por conversión interna en unos pocos microsegundos. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Sin embargo, la energía isomérica no es suficiente para eliminar un segundo electrón (la segunda energía de ionización del torio es11,5  eV ), por lo que la conversión interna es imposible en los iones Th ⁺ . La desintegración radiactiva ocurre con una vida media 8,4 órdenes de magnitud mayor, superior a 1000  segundos. ^{[ 28 ] [ 30 ]} Incrustados en cristales iónicos , la ionización no es del todo del 100%, por lo que se produce una pequeña cantidad de conversión interna, lo que lleva a una vida útil medida recientemente de ≈600  s , ^{[ 5 ] [ 31 ]} que se puede extrapolar a una vida útil para iones aislados de1740 ± 50  s . ^{[ 5 ]}

La energía de excitación nuclear normal corresponde a los fotones de rayos gamma, pero esta energía de excitación corresponde a una frecuencia de fotones de2 020 407 384 335 ± 2  kHz (longitud de onda)148,382 182 8827 (15)  nm ), ^{[ 6 ] [ 32 ] [ 5 ] [ 31 ]} que es simplemente un ultravioleta lejano . Esto significa que es posible construir un láser que opere a esta frecuencia , lo que brinda la única oportunidad conocida para la excitación láser directa de un estado nuclear. ^{[ 33 ]} Esto podría tener aplicaciones como un reloj nuclear de muy alta precisión ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 34 ] [ 35 ]} o como un cúbit para computación cuántica . ^{[ 36 ]}

Estas aplicaciones se vieron obstaculizadas durante mucho tiempo por mediciones imprecisas de la energía isomérica, ya que la exquisita precisión de la excitación láser dificulta su uso para explorar un amplio rango de frecuencias. Se realizaron numerosas investigaciones, tanto teóricas como experimentales, para determinar con precisión la energía de transición y especificar otras propiedades del estado isomérico del ^229Th (como la vida media y el momento magnético), hasta que la frecuencia se midió con exactitud en 2024. ^{[ 5 ] [ 32 ] [ 31 ]}

Las primeras mediciones de isómeros de torio se realizaron mediante espectroscopia de rayos gamma , produciendo el Estado excitado de 29,5855 keV del ^229Th , y midiendo la diferencia en las energías de los rayos gamma emitidos a medida que decae a los estados isoméricos ^229mTh (90%) o ^229Th (10%). En 1976, Kroger y Reich buscaron comprender los efectos de la fuerza de Coriolis en núcleos deformados , e intentaron hacer coincidir el espectro de rayos gamma del torio con modelos teóricos de la forma nuclear. Para su sorpresa, los estados nucleares conocidos no pudieron clasificarse razonablemente en diferentes niveles de cuantización del momento angular total . Concluyeron que algunos estados previamente identificados como ^229Th en realidad surgieron de un isómero nuclear de espín 3/2, 229mTh , con una ^energía de excitación notablemente baja. ^{[ 37 ]}

En ese momento se infirió que la energía era inferior a 100  eV, basándose únicamente en la no observación de la desintegración directa del isómero. Sin embargo, en 1990, mediciones posteriores llevaron a la conclusión de que la energía es casi con certeza inferior a 10  eV, ^{[ 38 ]} lo que la convierte en una de las energías de excitación isomérica más bajas conocidas. En los años siguientes, la energía se limitó aún más a3,5 ± 1,0  eV , que durante mucho tiempo fue el valor de energía aceptado. ^{[ 39 ]}

En 2007 se llevaron a cabo mediciones mejoradas de espectroscopia de rayos gamma utilizando un microcalorímetro de rayos X avanzado de alta resolución, lo que arrojó un nuevo valor para la energía de transición de7,6 ± 0,5  eV , ^{[ 40 ]} corregido a7,8 ± 0,5  eV en 2009. ^{[ 41 ]} Esta energía más alta tiene dos consecuencias que no habían sido consideradas en intentos anteriores de observar fotones emitidos:

• Porque está por encima del torioCon una energía de primera ionización de 6,08  eV , ^{el 229m} Th neutro se desintegrará radiativamente con una probabilidad extremadamente baja, y
• Porque está por encima deCon un límite de corte ultravioleta de vacío de 6,2  eV , los fotones producidos no pueden viajar a través del aire.

Pero incluso conociendo la energía más alta, la mayoría de las búsquedas en la década de 2010 de luz emitida por la desintegración isomérica no lograron observar ninguna señal, ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} apuntando a un canal de desintegración no radiativa potencialmente fuerte. Se afirmó una detección directa de fotones emitidos en la desintegración isomérica en 2012 ^{[ 46 ]} y nuevamente en 2018. ^{[ 47 ]} Sin embargo, ambos informes fueron controvertidos dentro de la comunidad. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

En 2016 se logró una detección directa de electrones emitidos en el canal de desintegración de conversión interna del ^{229m Th. [ 50 ]} Sin embargo, en ese momento la energía de transición del isómero solo pudo ser débilmente restringida a entre 6,3 y 18,3  eV. Finalmente, en 2019, la espectroscopia electrónica no óptica de los electrones de conversión interna emitidos en la desintegración isomérica permitió determinar la energía de excitación del isómero.8,28 ± 0,17  eV . ^{[ 51 ]} Sin embargo, este valor parecía estar en desacuerdo con la preimpresión de 2018 que mostraba una señal similar como una Se puede mostrar un fotón VUV de xenón de 8,4 eV , pero con aproximadamente1,3 +0,2 −0,1  eV menos energía y una (retrospectivamente correcta)Vida útil de 1880 ± 170  s . ^{[ 47 ]} En ese artículo, ^{el 229} Th estaba incrustado en SiO ₂ , lo que posiblemente resultó en un cambio de energía y una vida útil alterada, aunque los estados involucrados son principalmente nucleares, lo que los protege de las interacciones electrónicas.

En otro experimento de 2018, fue posible realizar una primera caracterización espectroscópica láser de las propiedades nucleares del ^229m Th. ^{[ 52 ]} En este experimento, se llevó a cabo la espectroscopia láser de la capa atómica ^{del 229 Th utilizando una nube de iones 229} Th ²⁺ con un 2 % de los iones en el estado excitado nuclear. Esto permitió sondear el desplazamiento hiperfino inducido por los diferentes estados de espín nuclear del estado fundamental y el estado isomérico. De esta manera, se pudo inferir un primer valor experimental para el momento dipolar magnético y el momento cuadrupolar eléctrico del ^229m Th.

En 2019, la energía de excitación del isómero se limitó a8,28 ± 0,17  eV basado en la detección directa de electrones de conversión interna ^{[ 51 ]} y se logró una población segura de ^229m Th desde el estado fundamental nuclear mediante la excitación delEstado excitado nuclear de 29  keV mediante radiación sincrotrón. ^{[ 53 ]} Mediciones adicionales realizadas por un grupo diferente en 2020 produjeron una cifra de8,10 ± 0,17  eV (longitud de onda de 153,1 ± 3,2  nm ). ^{[ 54 ]} Combinando estas mediciones, la energía de transición esperada es8,12 ± 0,11  eV . ^{[ 55 ]}

En septiembre de 2022, la espectroscopia en muestras en descomposición determinó que la energía de excitación era8,338 ± 0,024  eV . ^{[ 56 ]}

En abril de 2024, dos grupos separados finalmente informaron sobre la excitación láser de precisión de cationes Th ⁴⁺ dopados en cristales iónicos (de CaF ₂ y LiSrAlF _{6 con} aniones F ⁻ intersticiales adicionales para compensación de carga), lo que dio una medición precisa (~1 parte por millón ) de la energía de transición. ^{[ 32 ] [ 7 ] [ 5 ] [ 31 ]} Una parte por billón (10 ⁻¹² ) medición poco después en junio de 2024, ^{[ 6 ] [ 57 ]} y los futuros láseres de alta precisión medirán la frecuencia hasta el10 ⁻¹⁸ precisión de los mejores relojes atómicos . ^{[ 6 ] [ 9 ] [ 35 ]}