De relojes atómicos a un reloj nuclear

La medición del tiempo ha dado un salto fundamental gracias a un equipo internacional de científicos. Investigadores de la Universidad Técnica de Viena, en Austria, y del PTB Braunschweig, en Alemania, han conseguido inventar el primer reloj nuclear del mundo que se autoestabiliza. Este hito científico utiliza núcleos atómicos en lugar de electrones para medir el tiempo con una precisión extraordinaria, un avance que ha sido publicado en la prestigiosa revista Nature a través de dos artículos titulados «A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop» y «A nuclear clock synchronized to 229Th».

El sistema desarrollado en Viena se autoestabiliza empleando un láser que modifica los estados energéticos de los núcleos de torio, los cuales a su vez estabilizan la frecuencia láser. Frente a los primeros ensayos con esta tecnología, el investigador Thorsten Schumm subrayó el objetivo esencial que perseguía su equipo de trabajo:

«lo que realmente se necesita es un reloj nuclear autoestabilizador»

Thorsten Schumm

Para conseguirlo, el diseño técnico se apoyó en una interacción directa entre la radiación luminosa y la materia a nivel nuclear. Según detalló el propio Thorsten Schumm:

«La idea básica es sencilla: se tiene un láser y torio. El láser modifica los estados energéticos de los núcleos de torio, y estos núcleos se utilizan para estabilizar la frecuencia láser»

Thorsten Schumm

Cómo se ha llegado hasta el reloj nuclear

Para comprender la magnitud de este descubrimiento, es necesario mirar hacia atrás en la historia de la cronometría y el desarrollo de los instrumentos de medición:

Más de 70 años de uso de relojes atómicos basados en electrones han hecho posibles tecnologías como el GPS.

Durante más de setenta años se han utilizado relojes atómicos basados en el comportamiento de los electrones. Estos dispositivos convencionales han permitido el desarrollo de tecnologías cotidianas tan extendidas como el sistema de posicionamiento global (GPS) y han demostrado de manera empírica que el tiempo se comporta de diferente manera en distintas partes del espacio.

Sin embargo, los relojes atómicos tradicionales miden el tiempo rastreando electrones mientras cambian entre estados de energía, un método que los hace vulnerables a ciertas perturbaciones ambientales. Por el contrario, los relojes nucleares funcionan monitoreando cómo la luz interactúa directamente con un núcleo atómico. Los núcleos atómicos son mucho menores que los átomos completos —los datos técnicos sitúan esta escala entre más de diez mil veces y 100.000 veces más pequeños—, lo que provoca que sean notablemente menos sensibles a los campos eléctricos externos y dota a los dispositivos nucleares de un potencial de fiabilidad muy superior.

Sobre esta diferencia de escala y su impacto directo en el rendimiento cronométrico, Schumm explicó el principio rector del dispositivo austriaco:

«la gran ventaja del nuevo reloj nuclear de Viena es que, al utilizar núcleos atómicos en lugar de átomos, se puede lograr, en principio, mucha más precisión»

Thorsten Schumm

El camino hasta este prototipo comenzó con aquella propuesta de 2003, fundamentada en que el isótopo torio-229 cuenta con un estado de baja energía que facilita de manera singular el seguimiento de sus transiciones. En términos físicos, los núcleos de torio poseen dos estados de energía distintos separados por diferencias extremadamente pequeñas, una particularidad que permite utilizar un láser para conmutar el núcleo de un estado a otro. Guiados por este principio, los investigadores del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la Universidad Técnica de Viena, bajo la dirección de Schumm, y los científicos del PTB Braunschweig, encabezados por Ekkehard Peik, lograron culminar con éxito la detección de la transición en la primavera de 2024.

Qué significa y qué viene ahora para la física

El desarrollo de este prototipo abre nuevas vías para la investigación de los fundamentos físicos de la materia. De acuerdo con los datos científicos, esta tecnología permitirá comprender mucho mejor la naturaleza de la materia oscura y responder a cuestiones fundamentales sobre la física del universo. Al mismo tiempo, sitúa a la ciencia ante un nuevo récord potencial de precisión en la medición temporal al superar de forma directa las limitaciones históricas de los relojes atómicos, singularmente la interferencia causada por los campos eléctricos externos.

24 horas se mantiene estable el prototipo actual de forma autónoma sin intervención.

A pesar del avance conceptual, el dispositivo se encuentra en su fase inicial y el prototipo actual todavía resulta menos estable que los mejores relojes atómicos disponibles en la actualidad. Respecto a este punto de partida técnico, Schumm valoró el estado del instrumento:

«todavía no alcanza los niveles de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo, pero para un primer prototipo es un resultado asombroso»

Thorsten Schumm

En sus pruebas operativas, la estabilidad inicial del prototipo se ha mantenido durante 24 horas continuadas sin necesidad de intervención externa. En ese intervalo de un día, la precisión investigada alcanzó un valor de aproximadamente 10 elevado a la potencia de menos 15, magnitud que equivale a un margen de error de aproximadamente un segundo cada 30 millones de años.

Para superar las limitaciones observadas y maximizar el rendimiento del sistema, los investigadores ya han definido los pasos inmediatos del proyecto. La hoja de ruta técnica contempla la incorporación de láseres mucho más potentes y el empleo de mejores cristales de torio, dos mejoras destinadas a aumentar de forma drástica la precisión final del reloj nuclear.

Por la redacción de GUAY.news.