El primer reloj nuclear en funcionamiento anuncia una nueva era en la medición del tiempo

Ilustración conceptual de un reloj basado en núcleos atómicos.

Un reloj basado en átomos de torio radiactivo materializa una ambición largamente anhelada, demostrando una tecnología que podría superar la precisión de los mejores relojes atómicos actuales.

Los científicos han construido el primer reloj nuclear funcional , que utiliza las vibraciones de los núcleos atómicos para medir el tiempo. Los relojes nucleares han sido buscados durante más de dos décadas y podrían permitir, en el futuro, una medición del tiempo extraordinariamente precisa y experimentos para la búsqueda de nuevos fenómenos físicos.

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 usar para medir el tiempo, de forma similar 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 un conjunto de átomos. Si la frecuencia se desvía de la correcta, menos electrones saltarán entre niveles de energía y la frecuencia se corrige. Esto mantiene la precisión de la medición del tiempo, asegurando que los relojes construidos de esta manera solo pierdan unos pocos segundos cada mil millones de años.

Los núcleos atómicos también pueden oscilar entre niveles de energía. En teoría, prometen mayor precisión que los electrones, ya que poseen energías mucho más elevadas y requieren una excitación más precisa. Esto significa que tienen el potencial de alcanzar estabilidades de segundos durante cientos de miles de millones de años, mucho más antiguos que la edad del universo, lo que ayudaría a los físicos a buscar fenómenos físicos nuevos y exóticos.

Sin embargo, una barrera práctica para la construcción de estos relojes nucleares es que la mayoría de los núcleos requieren más energía para ser excitados de la que pueden proporcionar incluso los láseres más potentes. Pero el torio radiactivo puede excitarse con relativamente poca energía, por lo que ha sido objeto de estudio para un posible reloj nuclear desde que se descubrió 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. Fabricado con torio, ya se muestra prometedor en la búsqueda de las esquivas partículas de materia oscura. «Es la culminación de entre 15 y 20 años de investigación», afirma Schumm. «Es asombroso. Muy pocos investigadores ven su sueño hecho realidad».

Sistemas anteriores habían demostrado que la frecuencia nuclear del torio podía excitarse con el láser adecuado, pero carecían del mecanismo de ajuste de frecuencia propio de un reloj en funcionamiento. «Si alguna vez va a haber un momento decisivo, probablemente sea este», afirma Harry Morgan, de la Universidad de Manchester, Reino Unido.

Schumm y sus colegas construyeron el reloj incrustando torio en un cristal de fluoruro de calcio e iluminándolo con un láser ultravioleta. El láser, que funciona como el mecanismo del reloj, alterna periódicamente entre dos frecuencias, una ligeramente superior y otra inferior a la frecuencia nuclear conocida del torio. Si el torio absorbe por igual ambas frecuencias, el láser está correctamente sintonizado. Si la absorción es diferente, el reloj utiliza esta diferencia como retroalimentación para ajustar el láser a la frecuencia correcta.

El reloj nuclear aún no tiene la estabilidad de los mejores relojes atómicos, y se desfasa decenas de segundos cada mil millones de años. Sin embargo, Schumm y su equipo afirman que el reloj es más bien una prueba de concepto y que aún deben perfeccionar el sistema con los mejores láseres y componentes electrónicos disponibles.

Para ser un prototipo tan sencillo, está demostrando una estabilidad impresionante, afirma Ekkehard Peik, miembro del equipo del PTB, el instituto nacional de metrología alemán. «Lo que más me impresionó fue que el sistema funcionó durante toda la noche y durante 24 horas sin intervención del usuario», comenta. «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 entorno electromagnético caótico de los electrones del átomo, tiene una transición muy precisa que no se ve afectada por el movimiento de los electrones, lo que lo hace más sensible a los efectos físicos externos. En la práctica, esto significa que se pueden medir propiedades sensibles de los nucleones sin el ruido de los electrones, lo que ayuda tanto a lograr una medición más precisa como a medir propiedades físicas fundamentales con mayor exactitud.

Además, no necesita enfriarse a temperaturas extremadamente bajas ni sus átomos deben colocarse 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 ser más fácil de miniaturizar, explica, lo que permitiría su uso en diversos tipos de experimentos, como pruebas de relatividad con satélites. «Si bien el rendimiento actual está muy por debajo del estado del arte, podemos esperar mejoras de varios órdenes de magnitud en un futuro próximo», afirma Eric Hudson, de la Universidad de California en Los Ángeles.

Schumm y sus colegas utilizaron las altísimas energías del núcleo de torio para descartar la posible existencia de partículas de materia oscura . Si la materia oscura es una fuerza electromagnética que impregna nuestro universo, debería modificar sutilmente las transiciones de energía nuclear de toda la materia, incluido el torio. Esto alteraría notablemente la frecuencia específica a la que funciona el reloj, algo que resultaría evidente debido a la alta frecuencia nuclear del torio. «Es similar a medir el cambio de longitud [en un metal] debido a un cambio de temperatura», explica Schumm. «Cuanto más larga sea la varilla, mayor será el efecto».