Ilustración conceptual de un reloj basado en núcleos atómicos.
Oliver Diekmann, Universidad Técnica de Viena
Los científicos han construido el primer reloj nuclear funcional, que utiliza las vibraciones de los núcleos atómicos para marcar el tiempo. Los relojes nucleares han sido buscados durante más de dos décadas y eventualmente podrían permitir cronometraje extraordinariamente preciso y experimentos que busquen nueva física.
Los relojes atómicos más precisos que tenemos actualmente utilizan electrones para medir el tiempo. Los electrones ocupan distintos niveles de energía u órbitas alrededor del núcleo atómico y solo se mueven entre órbitas cuando son excitados con luz de una frecuencia muy específica. La frecuencia de una onda de luz se define por la cantidad de ondas que pasan en un tiempo determinado, por lo que contar estas ondas se puede utilizar para medir el tiempo, de forma muy parecida al péndulo de un reloj de pie.
En un reloj atómico, se utiliza un láser sintonizado a la frecuencia nuclear que excita los electrones para estimular una colección de átomos. Si se desvía de la frecuencia correcta, menos electrones saltarán entre niveles de energía y la frecuencia se corregirá. Esto mantiene la precisión del cronometraje, asegurando que los relojes construidos de esta manera pierdan sólo unos pocos segundos cada mil millones de años.
También se puede hacer que los núcleos atómicos reboten entre niveles de energía. En teoría, prometen una mayor precisión que los electrones porque tienen energías mucho más altas y requieren una excitación más precisa. Esto significa que tienen el potencial de funcionar con estabilidades de segundos a lo largo de cientos de miles de millones de años, mucho más antiguos que la edad del universo, lo que ayudaría a los físicos a buscar nueva física exótica.
Sin embargo, una barrera práctica para construir estos relojes nucleares es que la mayoría de los núcleos requieren más energía para ser excitados que la que pueden proporcionar incluso los láseres más energéticos. Pero el torio radiactivo puede excitarse con relativamente poca energía, por lo que ha sido el foco de un posible reloj nuclear desde que se descubrió por primera vez en 2023 la frecuencia láser específica necesaria para excitar su núcleo.
Ahora, Thorsten Schumm, de la Universidad Tecnológica de Viena (Austria), y sus colegas han construido un dispositivo de este tipo. Hecho de torio, ya se muestra prometedor en la búsqueda de esquivas partículas de materia oscura. “Es la culminación de 15 a 20 años de investigación”, afirma Schumm. “Es sorprendente. Muy pocos investigadores realmente ven su sueño hecho realidad”.
Los sistemas anteriores han demostrado que la frecuencia nuclear del torio puede excitarse con el láser adecuado, pero carecían del mecanismo distintivo de ajuste de frecuencia de un reloj en funcionamiento. “Si alguna vez va a haber un momento de ‘esto es todo’, probablemente sea este”, dice Harry Morgan de la Universidad de Manchester, Reino Unido.
Schumm y sus colegas construyeron el reloj incrustando el torio en un cristal hecho de fluoruro de calcio y haciendo pasar un láser ultravioleta a través de él. El láser, que actúa como el tictac del reloj, cambia periódicamente entre dos frecuencias justo por encima y por debajo de la frecuencia nuclear conocida del torio. Si el torio absorbe por igual las frecuencias ligeramente más altas y más bajas, entonces el láser está sintonizado correctamente. Si es diferente, entonces el reloj lo utiliza como retroalimentación para sintonizar el láser a la frecuencia correcta.
El reloj nuclear aún no tiene la estabilidad de los mejores relojes atómicos, sino que funciona a decenas de segundos que se pierden cada mil millones de años. Pero Schumm y su equipo dicen que el reloj es más bien una prueba de principio y que todavía tienen que afinar el sistema con los mejores láseres y electrónica disponibles.
Para un prototipo tan simple, está demostrando una estabilidad impresionante, dice Ekkehard Peik, miembro del equipo del PTB, el instituto nacional de metrología de Alemania. “Lo que más me impresionó fue que el sistema funcionó durante la noche y durante 24 horas sin intervención del usuario”, afirma. “Esto es algo que no se ha logrado tan rápidamente con otros relojes ópticos”.
Pero incluso sin esta estabilidad, el reloj nuclear puede hacer cosas que los relojes atómicos no pueden. Debido a que el núcleo está protegido del caótico entorno electromagnético de los electrones del átomo, tiene una transición muy precisa que no se ve afectada por los electrones en movimiento, lo que lo hace más sensible a los efectos externos de la física. En la práctica, esto significa que las propiedades sensibles de los nucleones se pueden medir sin el ruido de los electrones, lo que ayuda tanto a lograr un “tictac” más preciso como a medir propiedades físicas fundamentales con mayor precisión.
. Tampoco es necesario enfriarlo a temperaturas extremadamente bajas ni colocar sus átomos en el vacío como los relojes atómicos, sino que funciona a temperatura ambiente. “Es realmente lo más sencillo que puedas imaginar”, afirma Schumm.
Esto significa que el sistema debería miniaturizarse más fácilmente, afirma, lo que podría permitir su uso en muchos tipos diferentes de experimentos, como pruebas de relatividad por satélite. “Si bien el rendimiento actual está considerablemente por debajo del estado actual de la técnica, podemos esperar mejoras de órdenes de magnitud en el futuro cercano”, dice Eric Hudson de la Universidad de California, Los Ángeles.
Schumm y sus colegas utilizaron las muy altas energías del núcleo de torio para descartar posibles partículas de materia oscura. Si la materia oscura es una fuerza de tipo electromagnético que impregna nuestro universo, entonces debería cambiar sutilmente las transiciones de energía nuclear de toda la materia, incluido el torio. Esto haría que la frecuencia específica a la que funciona el reloj fuera considerablemente diferente, lo que sería obvio debido a la alta frecuencia nuclear del torio. “Es un poco como si quisieras medir el cambio de longitud [in a metal] debido al cambio de temperatura del calor”, dice Schumm. “Cuanto más largo sea el palo, mayor será el efecto”.
Temas: