Un grupo internacional de investigadores procedentes de Austria y de China ha conseguido desarrollar de forma independiente los primeros relojes nucleares funcionales del mundo. Esta tecnología, que ha sido perseguida y buscada por la comunidad de físicos durante décadas, mide el tiempo basándose de manera directa en las transiciones energéticas que se producen en el interior del núcleo atómico. Los dos equipos de investigación trabajaron por separado en las ciudades de Viena y Pekín, logrando presentar sus respectivos progresos y avances de forma simultánea a través de dos artículos publicados en una conocida revista científica.
Hasta la fecha, los modelos tradicionales de relojes atómicos se han venido utilizando desde la creación del primero de ellos en el año 1949. Estos dispositivos convencionales miden el paso del tiempo observando con atención los cambios de energía que experimentan los electrones en la región más externa del átomo, utilizando para ello elementos químicos tan conocidos como el cesio y el estroncio. Sin embargo, en el caso de los nuevos relojes nucleares desarrollados ahora, la referencia fundamental de medición se sitúa mucho más adentro, exactamente en el núcleo del átomo, provocando que los rayos láser consigan inducir transiciones de energía directamente entre los protones y los neutrones que lo componen.
Una tecnología basada en torio y láseres ultravioleta
Para lograr este hito histórico, los dispositivos científicos utilizan sistemas de láseres avanzados con el propósito de acompañar los cambios de energía en el núcleo de átomos de torio-229. Conviene destacar que estos relojes nucleares no funcionan en absoluto mediante procesos de fisión ni tampoco de fusión nuclear. El torio-229 es un átomo poco común cuyo núcleo tiene la capacidad tan particular de poder cambiar de estado energético mediante el uso de luz ultravioleta procedente de un láser, constituyendo el único núcleo conocido hasta el momento actual que es capaz de funcionar de este modo tan preciso.
Siguiendo este principio físico, los equipos científicos ubicados en Viena y Pekín utilizaron átomos de torio-229 atrapados de manera controlada en el interior de cristales sólidos de fluoruro de calcio. En concreto, el equipo de investigación construyó un láser especializado que genera luz ultravioleta con una longitud de onda de 148,4 nanómetros, dirigiéndola posteriormente hacia los pequeños cristales de fluoruro de calcio que contenían el torio-229. El hecho de que ambos grupos de trabajo llegaran a relojes nucleares plenamente funcionales al mismo tiempo pero empleando enfoques experimentales diferentes demuestra con total claridad la robustez del concepto técnico aplicado.
Durante los trabajos experimentales llevados a cabo, los dispositivos demostraron un comportamiento altamente estable al mantenerse el láser acoplado de forma continua para marcar el tiempo. Según los datos técnicos registrados en las pruebas, el sistema logró alcanzar una precisión aproximada de una parte por cuatrillón, situándose en los niveles de rendimiento propios de los mejores dispositivos cronométricos conocidos.
Nuevos horizontes para la física y la precisión
La creación de un dispositivo de estas características era algo con lo que la comunidad de físicos llevaba soñando desde hacía casi cincuenta años. De hecho, uno de los equipos precursores, el perteneciente a la Universidad Técnica de Viena, llevaba trabajando de manera ininterrumpida para alcanzar este mismo objetivo desde el año 2008. Los mejores relojes atómicos convencionales que existen en la actualidad son capaces de ganar o perder tan solo un segundo a lo largo de miles de millones de años, estableciendo un estándar altísimo de precisión temporal que los nuevos modelos buscan complementar y superar.
Sobre la trascendencia de este avance científico, uno de los investigadores principales, Shiqian Ding, señaló:
«Acho isso muito encorajador porque mostra que o conceito é robusto e não depende de uma única implementação técnica.»
Shiqian Ding
Asimismo, el investigador Thorsten Schumm destacó la magnitud del hito alcanzado:
«A criação de um relógio nuclear era algo com que os físicos sonhavam há quase 50 anos. Minha equipe trabalha para alcançar esse objetivo desde 2008»
Thorsten Schumm
y añadió que este logro
«Isso dá acesso a un universo completamente novo da física»
Thorsten Schumm
.
Los datos disponibles señalan que el dispositivo construido en Viena ya se ha empleado en un experimento pionero para intentar detectar materia oscura, aunque durante las pruebas realizadas no se encontraron evidencias directas de este componente. Este equipo de Viena destaca asimismo por contar en sus prototipos con cristales de torio provistos de una mayor concentración y mejores propiedades ópticas, mientras que el grupo de Pekín aporta al desarrollo conjunto un láser de mayor potencia.
Aplicaciones prácticas y próximos pasos en el desarrollo
Las aplicaciones prácticas que se derivan de este gran avance científico son múltiples y de enorme calado técnico. La nueva tecnología permite abrir el acceso a un universo completamente nuevo de la física fundamental, además de ampliar de forma exponencial el potencial de precisión en sistemas tan cotidianos como la navegación por satélite, la sincronización de datos en redes de comunicación de alta velocidad, los levantamientos topográficos de alta precisión, la metrología avanzada y la investigación de fenómenos tan complejos como la propia materia oscura.
Para dar el siguiente paso en el desarrollo de esta tecnología, la etapa venidera consistirá en mejorar de manera significativa los prototipos actuales combinando las mejores características de ambos equipos de investigación. Esto implicará unir los cristales de torio con mayor concentración y mejores propiedades ópticas desarrollados por el grupo vienés junto con el láser de mayor potencia construido por el equipo de Pekín, con el objetivo de elevar notablemente el rendimiento global de los relojes nucleares.
Por la redacción de GUAY.news.
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