Denver, Colorado | Los físicos están cada vez más cerca de crear el tan buscado “reloj nuclear”. Este dispositivo controlaría el tiempo midiendo las transiciones de energía en los núcleos de los átomos y podría convertirse en el reloj más preciso del planeta.
Hace décadas, los científicos predijeron que el isótopo torio-229 podría usarse en dicho reloj, pero no pudieron precisar su inusual transición a la energía nuclear. Esa hazaña, lograda con un láser en 2024, inició la cuenta regresiva hacia un reloj nuclear.
Ahora, un reloj así está “mucho más cerca de lo que la gente piensa”, dice Eric Hudson, físico de la Universidad de California en Los Ángeles, que está trabajando en uno. “Estoy seguro de que veremos mediciones del reloj nuclear en 2026”.
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Casi una docena de equipos de investigación, repartidos por China, Europa, Japón y Estados Unidos, están a punto de ensamblar los componentes de dicho reloj, incluida una fuente de 229Th (que es radiactivo) y un potente láser ultravioleta de onda continua para excitar la transición energética. En la Cumbre Global de Física de la Sociedad Estadounidense de Física (APS) en Denver, Colorado, esta semana, los investigadores proporcionaron actualizaciones sobre su progreso, incluidos detalles sobre el desarrollo del láser.
Claire Cramer, directora ejecutiva de ciencia cuántica de la Universidad de California, Berkeley, que estuvo presente, expresó optimismo sobre el potencial de los relojes nucleares de estado sólido: “Esta es una tecnología realmente prometedora para aplicaciones comerciales”.
Esto se debe a que los relojes nucleares podrían ser resistentes al ruido y tener un diseño compacto para su uso fuera del laboratorio. También podrían superar la precisión de los relojes atómicos ópticos, los mejores cronometradores actuales del campo, que pierden sólo un segundo cada 40 mil millones de años.
Jockey láser
El cronometraje, ya sea en un reloj de bolsillo o en un laboratorio de física, se reduce a contar eventos rápidos y regulares: los “tictacs” de cualquier reloj. En los relojes atómicos ópticos, estos eventos son el salto de electrones en un átomo entre un estado de energía fundamental y uno excitado. Un láser con una longitud de onda en el rango de 350 a 750 nanómetros (la parte visible u óptica del espectro electromagnético) excita esta transición, que puede “marcar” billones de veces por segundo.
Por el contrario, un reloj nuclear contaría transiciones entre estados nucleares de 229Th. Estos tienen la misma cantidad de protones y neutrones, pero diferentes energías dependiendo de cómo se comprimen las partículas en el núcleo.
Durante medio siglo, la energía precisa de la transición 229 permaneció incierta. Varios grupos de investigación independientes comenzaron a acercarse a una respuesta hace unos años. La búsqueda culminó en un experimento de 2024 dirigido por Chuankun Zhang, físico que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, y Jun Ye, físico del instituto de investigación JILA en Boulder, Colorado. Utilizando un peine de frecuencia (un láser con alrededor de 30 millones de frecuencias que puede golpear un cristal simultáneamente), Zhang, Ye y sus colegas identificaron la transición con una precisión ultraalta. Sin embargo, para acceder a él en un reloj nuclear en funcionamiento, los científicos necesitan ahora un láser de onda continua potente y estable con una longitud de onda ultravioleta de alrededor de 148 nanómetros. Y no se ha fabricado tal láser.
Un grupo con sede en la Universidad Tsinghua en Beijing, China, ha dado algunos de los pasos más prometedores hacia la construcción de uno. El mes pasado, el equipo informó en Nature que había entregado 100 nanovatios de potencia a 148,4 nm. Aunque los investigadores han elogiado el avance, algunos en la reunión de la APS expresaron dudas sobre las perspectivas a largo plazo del láser, porque requiere calentar el vapor tóxico de cadmio a 550 ºC.
Otro enfoque convierte la longitud de onda de un láser óptico a 148 nm con un cristal especializado. Ye dijo que las pruebas preliminares con un cristal en particular han proporcionado una potencia casi estable de 40 microvatios. No reveló la identidad del material, pero dijo que es “tremendamente prometedor”. Pero su grupo colabora con IPG Photonics, un fabricante de láser con sede en Marlborough, Massachusetts, que ha presentado una patente para un método de cultivo de cristales de tetraborato de estroncio especializados.
La comunidad aún no ha encontrado una solución, dijo Hudson. “Pero mi opinión es que este es un problema técnico que nadie necesitaba resolver antes, y ahora lo resolveremos”.
Buscando estabilidad
El otro componente de un reloj nuclear que los investigadores están persiguiendo es una fuente estable de 229Th. Han surgido dos soluciones generales: utilizar billones de iones 229Th en un cristal sólido, o sólo un puñado en una trampa de iones.
El enfoque del cristal ofrece una señal de reloj mucho más fuerte debido a la gran cantidad de iones 229Th utilizados, pero está limitado por la estabilidad. Un reloj nuclear estable requiere un ancho de línea estrecho para la transición nuclear, es decir, su señal debe tener un rango estrecho de frecuencias. Utilizando un cristal de fluoruro de calcio infundido con iones 229Th, el grupo de Ye ha logrado hasta ahora una señal con un ancho de línea de alrededor de 30 kilohercios, demasiado grande para un reloj estable.
Aún no está claro qué está causando el gran ancho de línea, pero los investigadores en la reunión sospechan impurezas en el fluoruro de calcio. Algunos están explorando otros tipos de cristales, e incluso películas cristalinas delgadas, que son más fáciles de fabricar y tienen menos impurezas. Hudson es particularmente optimista sobre el tetrafluoruro de torio (un recubrimiento radiactivo que solía ser popular para las lentes de las cámaras) y el óxido de torio.
Aun así, el uso de cristales como fuente de 229Th podría no ofrecer suficiente precisión para un reloj nuclear, porque naturalmente amplían el ancho de línea de la señal del reloj. Por este motivo, los investigadores están investigando trampas de iones, en las que los iones de 229Th se enfrían y se suspenden a temperaturas ultrabajas, hasta microkelvin. “Si quieres ser realmente preciso, entonces harás un experimento de iones atrapados”, dice Ye. Hasta ahora nadie lo ha conseguido con el 229Th, pero los investigadores presentes en la reunión dijeron que es sólo cuestión de tiempo.
Este artículo se reproduce con autorización y se publicó por primera vez el 20 de marzo de 2026.