Un equipo internacional de investigación dirigido por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE.UU. logró acoplar con éxito un reloj atómico óptico de alta precisión a un cristal que contiene núcleos atómicos de torio. Los núcleos atómicos de torio de este primer reloj nuclear del mundo pueden utilizarse como un dispositivo de medición del tiempo muy preciso. Aunque esta demostración de laboratorio no es un reloj nuclear completamente desarrollado, contiene toda la tecnología básica para fabricar uno que sea portátil y muy estable.
A las puertas de un gran hito
El uso de torio incrustado en un cristal sólido, combinado con la sensibilidad reducida del núcleo a las perturbaciones externas, allana el camino para dispositivos de cronometraje potencialmente compactos y robustos. "Imaginemos un reloj de pulsera que no se desfasara ni un segundo, aunque lo dejáramos funcionando durante miles de millones de años", afirmó Jun Ye, físico del NIST que dirigió la investigación. "Aunque todavía no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión", añade.
"Con este primer prototipo hemos demostrado que el torio se puede utilizar como cronómetro para mediciones de altísima precisión. Ahora solo queda realizar el trabajo de desarrollo técnico, por lo que no se esperan mayores obstáculos", afirma el codirector de la investigación, Thorsten Schumm, de la Universidad Técnica de Viena.
Un concepto revolucionario
El reloj nuclear es un nuevo tipo de dispositivo para medir el tiempo que utiliza señales procedentes del núcleo de un átomo. Semanas atrás, el equipo anunció por primera vez que un núcleo atómico había pasado de un estado a otro mediante la estimulación con un láser, lo que les permitió desarrollar un reloj atómico óptico a escala de laboratorio, de precisión y exactitud sin precedentes. El novedoso reloj utilizaba una red óptica para atrapar miles de átomos con ondas de luz visible, lo que permitió realizar las mediciones más precisas hasta la fecha.
Ahora, aprovechando esa tecnología, el equipo utilizó un láser ultravioleta especialmente diseñado para medir con precisión la frecuencia de un salto de energía en los núcleos de torio incrustados en un cristal sólido. También emplearon un peine de frecuencia óptica, que actúa como una regla de luz extremadamente precisa, para contar el número de ciclos de ondas ultravioleta que crean este salto de energía.
Más precisos que los atómicos
Los relojes atómicos miden el tiempo ajustando la luz láser a frecuencias que hacen que los electrones salten entre niveles de energía. Los relojes nucleares utilizarían saltos de energía dentro de la diminuta región de núcleo atómico, donde los protones y neutrones se amontonan. Estos saltos de energía son muy parecidos a accionar un interruptor de luz. Al proyectar luz láser con la cantidad exacta de energía necesaria para este salto se puede accionar este "interruptor" nuclear.
Un reloj nuclear ofrecería importantes ventajas en términos de precisión en comparación con los electrones de los relojes atómicos. En primer lugar, el núcleo se ve mucho menos afectado por perturbaciones externas, como los campos electromagnéticos dispersos. Asimismo, la luz láser necesaria para provocar saltos de energía en los núcleos tiene una frecuencia mucho mayor que la requerida para los relojes atómicos. Esta mayor frecuencia, es decir, más ciclos de onda por segundo, está directamente relacionada con un mayor número de 'tictacs' por segundo y, por lo tanto, conduce a una medición del tiempo más precisa.
Un camino difícil
Pero es muy difícil crear un reloj nuclear. Para que se produzcan saltos de energía, la mayoría de los núcleos atómicos necesitan ser alcanzados por rayos X coherentes (una forma de luz de alta frecuencia) con energías mucho mayores que las que se pueden producir con la tecnología actual. Por eso, los científicos se han centrado en el torio-229, un átomo cuyo núcleo tiene un salto de energía menor que cualquier otro átomo conocido, lo que requiere luz ultravioleta, que tiene menor energía que los rayos X. El primer reloj nuclear se ha presentado este miércoles en Nature.
El reloj atómico del NIST ha sido acoplado con éxito a núcleos atómicos de torio, necesitando algunos trucos físicos: "El reloj atómico funciona con luz láser en el rango infrarrojo, que se utiliza para excitar los átomos de estroncio. Sin embargo, nuestros núcleos atómicos de torio necesitan radiación en el rango ultravioleta", explicó Thorsten Schumm. "Por lo tanto, necesitamos un modo de convertir las frecuencias infrarrojas en frecuencias ultravioleta, de forma similar a una transmisión mecánica que convierte una frecuencia de rotación lenta en una rotación más rápida mediante engranajes adecuados", ejemplificó.
Hacia un futuro nuclear
Los relojes nucleares podrían ser mucho más precisos que los atómicos actuales, que proporcionan la hora internacional oficial y desempeñan papeles importantes en tecnologías como el GPS, la sincronización de Internet y las transacciones financieras. Este avance podría dar paso a sistemas de navegación aún más precisos (con o sin GPS), velocidades de Internet más rápidas, conexiones de red más confiables y comunicaciones digitales más seguras.
Además, los relojes nucleares podrían mejorar las pruebas de las teorías fundamentales sobre el funcionamiento del universo, lo que conduciría a nuevos descubrimientos en la física. Podrían ayudar a detectar la materia oscura o comprobar si las constantes de la naturaleza son realmente constantes, lo que permitiría verificar las teorías de la física de partículas.