040224 Ec Nuclear Clock Adv Feat Rev.jpg

Se acerca el momento de los relojes nucleares.

Por primera vez, los científicos han utilizado un láser de mesa para llevar un núcleo atómico a un estado de mayor energía. Es una hazaña que encamina a los científicos hacia la creación del primer reloj nuclear, que mantendría el tiempo basándose en el funcionamiento interno de los núcleos atómicos.

El avance es un “avance notable”, dice Olga Kocharovskaya, física de la Universidad Texas A&M en College Station que no participó en la investigación.

En comparación con los relojes atómicos (actualmente los cronometradores más precisos de los científicos), los relojes nucleares podrían ser más simples y portátiles. Y podrían usarse para probar teorías de la física fundamental de nuevas maneras. Con el nuevo resultado, un reloj nuclear parece más alcanzable que nunca: «Ahora sabemos que es conceptualmente factible», dice el físico Peter Thirolf de la Ludwig-Maximilians-Universität München en Alemania, que no formó parte del estudio.

Los relojes atómicos probados y verdaderos se basan en la física de los electrones que rodean a los átomos. Dentro de esos átomos, los electrones habitan niveles de energía individuales. Para lograr que un electrón salte a un nivel de energía particularmente superior, es necesario que un láser le proporcione la cantidad justa de energía. Esa energía corresponde a una frecuencia específica de la luz del láser. Para localizar esa frecuencia, los científicos apuntan con un láser a una colección de átomos y escanear la frecuencia del láser hasta que los electrones den el salto (SN: 5/10/17). Luego se utiliza esa frecuencia, como un metrónomo atómico, para mantener el tiempo.

Los relojes nucleares utilizarían las transiciones de los núcleos atómicos, en lugar de los electrones, para marcar el tiempo. Si bien la mayoría de los núcleos atómicos tienen niveles de energía demasiado separados para que un láser pueda iniciar el salto, un núcleo especial es un caso atípico. Una variedad del elemento torio, el torio-229, tiene un salto de energía inusualmente pequeño, accesible a los láseres.

Hasta hace poco, los científicos no conocían muy bien el tamaño de ese salto. En 2023, sin embargo, los científicos lo midió con mayor precisión que nunca (SN: 1/6/23).

Eso permitió a los físicos dar el siguiente paso. Los investigadores utilizaron un láser para llevar los núcleos de torio-229 a un nivel de energía más alto y observaron la luz emitida en el salto hacia abajo.. El experimento precisó aún más la energía de la transición: Son 8,35574 electronvoltios, informa el equipo en un artículo aceptado para Cartas de revisión física. Ese número es consistente con la medición de 2023, pero es aproximadamente 800 veces más preciso. Para fabricar un reloj nuclear, los científicos necesitarán aumentar aún más la precisión de esta medición.

Los científicos utilizaron un láser (ilustrado en violeta) para provocar un salto entre niveles de energía (representados por flechas violetas) en el núcleo de torio-229, incrustado en un cristal de fluoruro de calcio.Oliver Diekmann/TU Viena

Cuando los investigadores vieron la señal, “por supuesto nos emocionamos mucho”, dice el físico Ekkehard Peik del Instituto Nacional de Metrología de Alemania en Braunschweig. «Fue una búsqueda larga». Peik propuso por primera vez la idea de hacer relojes nucleares con torio-229 en un artículo de 2003 del que fue coautor.

En el experimento, el torio-229 se incrustó en un cristal de fluoruro de calcio. Esto difiere de los relojes atómicos, en los que los átomos están contenidos en una cámara de vacío. La posibilidad de fabricar futuros relojes nucleares a partir de materiales sólidos es parte de su atractivo: «Potencialmente, uno podría imaginar construir un sistema portátil mucho más simple, sacando este reloj del laboratorio», dice el físico Jun Ye de JILA en Boulder, Colorado. , que no participó en la nueva investigación.

Un cristal de fluoruro de calcio iluminado con luz azul y montado en un poste.
Un láser azul ilumina un cristal de fluoruro de calcio al que se le han infundido átomos de torio, producido por investigadores de TU Wien en Austria.PTB, Universidad Técnica de Viena

Y debido a que los relojes nucleares se basan en una física diferente a la de los relojes atómicos, comparar los dos tipos de relojes podría permitir nuevos estudios de física fundamental (SN: 4/6/21). Por ejemplo, los científicos podrían buscar variaciones en las constantes fundamentales de la naturaleza, una conjunto de números que gobiernan el cosmos y que normalmente se supone que son inmutables (SN: 2/11/16). Los relojes nucleares también podrían permitir nuevas búsquedas de materia oscura, partículas masivas no identificadas que impregnan el universo.

Todavía queda mucho trabajo por hacer para construir un reloj nuclear. E incluso una vez que los científicos los hayan construido, Ye dice: «se necesitarán años, si no décadas, de trabajo para alcanzar los relojes atómicos». Pero “el solo hecho de poder ver la transición abre la puerta”.