Por primera vez hay relojes que miden el tiempo con el núcleo de un átomo y no con sus electrones. Dos equipos, uno de la Universidad Técnica de Viena con el instituto de metrología alemán PTB y otro de la Universidad Tsinghua de Pekín, publicaron el 7 de octubre en Nature sendos relojes basados en el torio-229. El de Viena funcionó más de 24 horas seguidas sin que nadie lo tocara; el de Pekín resultó unas seis veces más estable.
Un reloj, en el fondo, es algo que oscila a un ritmo constante y un mecanismo que cuenta esas oscilaciones. En los relojes atómicos lo que oscila es la luz o la radiación que hace saltar a los electrones de un átomo entre dos niveles de energía. Desde 1967 el segundo se define así, con átomos de cesio, y los relojes ópticos más modernos, que usan luz visible o ultravioleta, ya se equivocan menos de un segundo en toda la edad del universo. Pero los electrones están en la parte exterior del átomo y notan cualquier perturbación: campos eléctricos y magnéticos, cambios de temperatura.
El núcleo está mucho mejor protegido. Es más de diez mil veces más pequeño que el átomo y apenas reacciona a lo que pasa fuera. El problema es que sus saltos de energía suelen ser enormes, propios de los rayos gamma, y ningún láser puede provocarlos. El torio-229 es la excepción: tiene dos estados de energía tan próximos que basta un láser ultravioleta de unos 148 nanómetros para pasar de uno a otro. Llevaba décadas señalado como candidato a reloj nuclear, pero hasta abril de 2024 nadie había conseguido excitarlo con un láser. Lo lograron precisamente los grupos de Viena y del PTB, y en otoño de ese mismo año, junto con el JILA de Colorado, lo conectaron por primera vez a un reloj atómico óptico.
Faltaba el paso decisivo: que el núcleo de torio no fuera solo algo que se mide, sino lo que marca el ritmo del reloj. Es lo que publican ahora los dos equipos.
Claves de los dos relojes
- El corazón es un cristal. Ambos relojes usan un cristal de fluoruro de calcio con núcleos de torio-229 incrustados. En el de Viena mide un milímetro y funciona a temperatura ambiente, sin necesidad de enfriarlo ni de atrapar átomos uno a uno, como en los relojes ópticos.
- Un bucle que se corrige solo. Los núcleos solo absorben la luz del láser si su frecuencia es exactamente la correcta. Si el láser se desvía, aunque sea un poco por un cambio de temperatura, la absorción baja; el sistema lo detecta y reajusta la frecuencia. Así, el reloj de Viena no depende de un reloj atómico convencional para funcionar. La idea, explica Thorsten Schumm, que dirige el equipo de la TU Wien, es que sean los propios núcleos de torio los que estabilicen la frecuencia del láser.
- Más de 24 horas sin intervención. El reloj de Viena funcionó un día entero de forma continua. Para medir su calidad, su frecuencia se comparó todo ese tiempo con un reloj atómico de ion de iterbio. Tras un día de promedio, su inestabilidad se acercó a 10⁻¹⁵, que equivale a equivocarse en un segundo cada 30 millones de años.
- El de Pekín, seis veces más estable. El equipo de Tsinghua, dirigido por Ding Shiqian, genera su luz ultravioleta haciendo pasar láseres por vapor de cadmio y lee la absorción con un método rápido y con mucha señal frente al ruido. Con un segundo de promedio, su inestabilidad es de 5 × 10⁻¹³, frente a 3 × 10⁻¹² del de Viena: seis veces menor.
- Dos cristales, la misma hora. Pekín probó su reloj con dos cristales fabricados por separado, y sus frecuencias coincidieron con una diferencia de una parte en 10 billones (10⁻¹³). También encajan con medidas anteriores en otros cristales. Es una prueba de que el reloj no depende de un cristal concreto, algo imprescindible si algún día se fabrican en serie.
- Una primera búsqueda de materia oscura. El equipo de Viena aprovechó el reloj para buscar materia oscura ultraligera, que haría variar levemente la energía del salto del torio en plazos de entre 20 segundos y un día. No encontró señal, pero los límites que fija compiten con los de los mejores relojes atómicos y mejoran los anteriores en algunos tipos de interacción.
Por qué importa
Los relojes atómicos son una infraestructura invisible: el GPS calcula tu posición a partir de diferencias de tiempo de millonésimas de segundo, las redes de telecomunicaciones y los mercados financieros se sincronizan con ellos, y los mejores relojes de laboratorio sirven para comprobar las leyes de la física. Un reloj que funciona con un cristal a temperatura ambiente, sin trampas de átomos ni vacío extremo, apunta a algo que hoy no existe: relojes de altísima precisión compactos y robustos, que se puedan sacar del laboratorio.
El torio-229 tiene además una sensibilidad especial. Su salto de energía depende del equilibrio entre la fuerza nuclear fuerte y la electromagnética, así que, si alguna constante de la naturaleza variara mínimamente, o si la materia oscura interactuara con la materia normal, este reloj lo notaría mucho antes que uno atómico. La primera búsqueda ya da límites competitivos con un prototipo de un día de funcionamiento.
Que el mismo hallazgo llegue a la vez desde Europa y desde China, con dos técnicas distintas, también dice algo: la carrera por el reloj nuclear ha empezado en serio. El equipo de Viena ya trabaja en láseres más potentes y mejores cristales, y el de Pekín ha demostrado que el resultado se puede reproducir. El siguiente hito será que un reloj nuclear iguale, y después supere, a los mejores relojes atómicos.
Datos contrastados con los resúmenes de los dos artículos en arXiv: «A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop» (TU Wien y PTB) y «A nuclear clock synchronized to 229Th» (Universidad Tsinghua), ambos publicados en Nature. Portada: láseres alrededor de la cámara de vacío del reloj atómico de estroncio en tres dimensiones del JILA, foto del NIST, Wikimedia Commons, dominio público (recortada).
Fuente: TU Wien, «Die erste selbststabilisierende Atomkernuhr tickt in Wien» (idw)