Novo método desenvolvido para investigar a estrutura interna dos átomos
Propriedades anteriormente desconhecidas do elemento samário reveladas
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A capacidade de descrever a estrutura interna dos átomos é importante não só para compreender a composição da matéria, mas também para conceber novas experiências para explorar a física fundamental. As experiências específicas requerem amostras de átomos ou moléculas com propriedades específicas, que dependem em grande medida do fenómeno a explorar. No entanto, o conhecimento da estrutura dos níveis de energia de muitos átomos continua incompleto, em especial no caso dos átomos de terras raras e actinídeos.
A célula de samário a alta temperatura (~1040 °C) durante a experiência.
Razmik Aramyan
A espetroscopia é uma das técnicas mais utilizadas para estudar a estrutura dos átomos. Esta técnica baseia-se no princípio de que os electrões absorvem ou emitem energia quando se deslocam entre os níveis de energia de um átomo. Cada elemento tem um conjunto único de comprimentos de onda de luz que são emitidos ou absorvidos devido a estas transições. Este conjunto é conhecido como espetro atómico.
"A espetroscopia de alta resolução e de banda larga é essencial para medições de precisão em física atómica e para a procura de novas interações fundamentais", explica Razmik Aramyan, estudante de doutoramento no grupo do Prof. Dr. Dmitry Budker e principal autor do artigo. Dr. Dmitry Budker e principal autor do artigo. "Mas o progresso é frequentemente impedido pela dificuldade de medir espectros atómicos complexos, principalmente devido a duas limitações técnicas: a dificuldade de distinguir adequadamente os sinais emitidos pela amostra e a gama limitada de comprimentos de onda que os instrumentos podem detetar." Para ultrapassar estas limitações, Aramyan e os seus colaboradores aplicaram e desenvolveram um método conhecido como espetroscopia de duplo pente (DCS), que permite medir espectros atómicos numa vasta gama de frequências electromagnéticas com alta resolução e alta sensibilidade.
O DCS baseia-se na técnica do pente de frequências ópticas, pela qual foi atribuído o Prémio Nobel da Física em 2005. Os pentes de frequência ótica são lasers especializados que medem as frequências exactas da luz. No DCS, dois destes pentes são utilizados em modo coerente, permitindo medições mais precisas do espetro da amostra do que os métodos convencionais.
Para detetar sinais fracos com elevada precisão - um dos desafios do DCS - o grupo implementou também múltiplos fotodetectores para melhorar a chamada relação sinal/ruído. Esta combinação permitiu ler claramente os dados experimentais e determinar os diferentes comprimentos de onda do espetro. "Este estudo introduz uma abordagem DCS multicanal melhorada que combina uma matriz de fotodetectores com um novo esquema para resolver ambiguidades de frequência, permitindo medições de banda larga sem ambiguidades e com uma elevada relação sinal-ruído", resume Aramyan.
Este é o primeiro passo para a implementação da "Espectroscopia 2.0", um projeto internacional que visa desenvolver o que é conhecido como uma "ferramenta espectroscópica maciçamente paralela": uma ferramenta que pode realizar um grande número de medições espectroscópicas simultaneamente. Esta ferramenta será utilizada para realizar a espetroscopia de espectros atómicos e moleculares densos sob campos magnéticos intensos.
Primeira aplicação bem sucedida: o espetro do vapor de samário
O DCS é particularmente adequado para preencher lacunas nos dados atómicos, como confirma a presente publicação. Graças à sua abordagem inovadora, Aramyan e colegas conseguiram registar o espetro do vapor de samário a diferentes temperaturas e analisar o comportamento espetral em diferentes concentrações de samário. Ao compararem os seus resultados com conjuntos de dados existentes, encontraram linhas espectroscópicas que eram anteriormente desconhecidas.
"Descobrimos várias linhas de absorção de samário anteriormente não descritas. Isto ilustra o potencial do nosso método para descobrir propriedades atómicas anteriormente desconhecidas. Abre possibilidades promissoras para a espetroscopia maciçamente paralela, por exemplo, para a espetroscopia de átomos em campos magnéticos pulsados e ultra-elevados", conclui Aramyan.
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