Los mejores relojes atómicos actuales, que rastrean el tiempo midiendo la forma en que los electrones saltan consistentemente entre estados de energía cuando se exponen a una luz láser particular, perderían menos de un segundo de precisión en toda la edad del universo hasta ahora. Son increíblemente precisos, pero también increíblemente delicados: se requieren cámaras de vacío y blindaje de todo un laboratorio para evitar interferencias de campos eléctricos o magnéticos dispersos. Para solucionar estos problemas, los científicos pretenden profundizar una capa más en el átomo, desde los electrones en el exterior hasta el núcleo ubicado en su interior, y rastrear cómo la energía cambia un solo neutrón entre estados cuánticos. Según Thorsten Schumm, físico de la Universidad Tecnológica de Viena, un interruptor de este tipo podría hacer que los relojes sean hasta 10 veces más precisos, y el átomo mismo protegería el reloj de alguna interferencia externa. Además, estos átomos podrían incrustarse de forma protectora en un cristal.
En un nuevo estudio publicado en Science, Schumm y sus colegas mapearon los cuatro lugares donde puede ubicarse un átomo de torio dentro de un cristal y encontraron uno casi ideal para construir el reloj más preciso jamás creado.
En la mayoría de los átomos, la energía necesaria para hacer girar un neutrón de esta manera requeriría un láser de rayos gamma, que los científicos aún no pueden fabricar. Sólo hay una excepción conocida, un isótopo llamado torio 229, que los investigadores demostraron en 2024 que puede activarse con un láser ultravioleta.
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“El torio 229 es una peculiaridad de la naturaleza. Su energía de transición nuclear es notablemente baja, lo que lo hace accesible a la luz láser de alta pureza”, explica Andrei Derevianko, físico de la Universidad de Nevada, Reno, que no participó en el estudio. Los investigadores buscaron una estructura cristalina que pudiera albergar y proteger los átomos de torio 229, eliminando la necesidad de cámaras de vacío intensivas para que el reloj funcionara.
“El cultivo de cristales es como la alquimia o como cocinar”, dice Schumm. “Lo intentas, y luego intentas algo más, y luego sigues intentándolo”. Después de 15 años de experimentos, el grupo de Schumm terminó con una receta para cristales sólidos de fluoruro de calcio, dopados con pequeñas impurezas de torio 229, que parecían cubos transparentes de tamaño milimétrico. “Al final parece un pedacito de vidrio, pero hay que aprender a hacerlo decenas de miles de horas”, añade. Sin embargo, los investigadores se dieron cuenta de que si apuntaban al torio 229 en una mala posición interna, el cristal tendría un campo eléctrico desigual que dañaría la sincronización del reloj.
Para investigar las posibles formas en que los átomos de torio pueden ubicarse en los cristales, para este último estudio, los científicos hicieron brillar un láser ultravioleta hecho a medida en una longitud de onda durante 60 segundos, lo apagaron y observaron durante cinco minutos cómo los núcleos excitados decaían hasta niveles de energía más bajos y emitían la luz nuevamente. Luego los investigadores alteraron la frecuencia y lo hicieron nuevamente. Resultó que los átomos de torio pueden ubicarse en cuatro sitios de la red cristalina. Tres devuelven luz en múltiples longitudes de onda, lo que indica un campo eléctrico desigual a su alrededor. El cuarto responde a una sola longitud de onda, señal de un campo uniforme que lo hacía perfecto para el reloj.
“Los datos de este artículo son algo que todos queríamos ver desde hacía algún tiempo”, dice Eric Hudson, físico de la Universidad de California en Los Ángeles, que no participó en el estudio. “Este es un resultado muy importante para la investigación sobre el reloj nuclear de estado sólido”, añade Ekkehard Peik, jefe del departamento de Tiempo y Frecuencia del Instituto Nacional de Metrología de Alemania, que tampoco participó en el estudio. Basándose en su descubrimiento, Schumm y sus colegas ya han construido los primeros prototipos de nuevos relojes y han patentado una forma de construir uno que quepa en un pequeño chip. Al mismo tiempo, otro equipo en China dirigido por Shiqian Ding, físico de la Universidad de Tsinghua, también demostró un prototipo de reloj nuclear que logró resultados comparables con un láser más potente dirigido a un cristal que contiene una concentración ligeramente menor de torio 229. Schumm cree que el progreso en este campo está ganando impulso.
“No voy a dar una escala de tiempo sobre cuándo superaremos a los mejores relojes atómicos”, dice Schumm, “pero seremos mejores”. [than our current prototypes] en al menos tres órdenes de magnitud para finales de año”. Por ahora, sin embargo, su equipo no busca una precisión superior. La prioridad, dicen, es miniaturizar los relojes: primero pasar del tamaño de un laboratorio al tamaño de una caja de zapatos, dice Schumm, una forma que podría usarse en un rack de servidores de un centro de datos para mantener en funcionamiento cosas como transacciones bancarias cuando, de otro modo, las comunicaciones podrían perderse con los relojes satelitales actuales.
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