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El Primer Reloj Nuclear Ultra Preciso Puede Estar a Punto de Ser Lanzado, Superando la Precisión de los Relojes Atómicos y Permitiendo Nuevos Descubrimientos Sobre Gravedad, Ondas Gravitacionales y Materia Oscura
Reloj nuclear más cercano. La ciencia y la tecnología modernas dependen fundamentalmente de la precisión de los relojes para una amplia gama de aplicaciones, desde la verificación de teorías científicas fundamentales hasta el funcionamiento de sistemas como el GPS y las telecomunicaciones.
Actualmente, los relojes atómicos de cesio son considerados el estándar de oro en términos de precisión. Se basan en las transiciones de energía de electrones en el átomo de cesio para mantener el control del tiempo con una exactitud impresionante.
No obstante, investigadores están a punto de inaugurar una era en la cronometría, con la llegada del primer prototipo de reloj nuclear, que promete ser aún más preciso.
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El Salto de la Física Atómica a la Física Nuclear
Históricamente, la física nuclear no se ha utilizado para mediciones de alta precisión, principalmente debido a las limitaciones tecnológicas. Sin embargo, la investigación reciente publicada en la revista Nature abre un nuevo capítulo.
El físico Jun Ye, de la Universidad de Colorado Boulder, y su equipo desarrollaron el primer prototipo de un reloj nuclear, utilizando específicamente el isótopo torio-229. Como explica Hannah Williams, física de la Universidad de Durham, esta realización es un logro técnico notable.
Ella destaca que, mientras que la cronometría actual se basa en las transiciones de energía de electrones, el equipo de Ye abrió camino para explorar las transiciones energéticas del núcleo atómico, siendo mucho menos susceptible a las interferencias ambientales, lo que garantiza una mayor precisión.
Cómo Funciona un Reloj Atómico y la Evolución hacia el Reloj Nuclear
Crédito: The Ye group y Brad Baxley, JILA
Los relojes atómicos actuales utilizan láseres para estimular electrones a saltar entre diferentes niveles de energía, lo que permite una cronometría precisa. Sin embargo, el núcleo atómico —una diminuta estructura compuesta por protones y neutrones— también tiene niveles de energía que pueden ser alternados, al igual que los electrones.
El núcleo es mucho más pequeño y denso que el resto del átomo y, protegido por la nube de electrones a su alrededor, es menos influenciado por factores externos, lo que lo convierte en una excelente opción para una cronometría ultra precisa.
No obstante, excitar un núcleo atómico es un desafío. La energía necesaria para este proceso es significativamente mayor que la utilizada para excitar electrones, generalmente en el rango de los rayos gamma.
Aquí entra el torio-229, el único elemento conocido cuya transición nuclear puede ser estimulada con un haz de luz ultravioleta, lo que lo convierte en un candidato ideal para la creación de un reloj nuclear.
Los Desafíos y Avances Recientes
La gran dificultad en la creación de un reloj nuclear era determinar con exactitud la cantidad de energía necesaria para excitar el núcleo de torio-229. En los últimos años, investigadores de todo el mundo han avanzado significativamente en esta área.
En 2023, un equipo europeo logró medir la brecha de energía entre los dos estados nucleares del torio en 8,4 electronvoltios. Poco después, un grupo de científicos en Alemania logró refinar aún más esta medición a 8,35574 electronvoltios.
A pesar de estos progresos, la precisión aún no era suficiente para la construcción de un reloj nuclear viable. Fue entonces cuando el equipo de Jun Ye utilizó un peine de frecuencia, un láser especializado capaz de medir la frecuencia de la luz con altísima precisión.
Este dispositivo puede generar 100 mil frecuencias discretas de luz, como los finos dientes de un peine, y fue esencial para que los investigadores identificaran con precisión la frecuencia necesaria para excitar el núcleo de torio-229.
La Noche del Descubrimiento y la Celebración del Equipo
Cerca de la medianoche de una noche de mayo, Chuankun Zhang, uno de los estudiantes de posgrado de Jun Ye, finalmente captó la señal que indicaba que el núcleo de torio-229 había hecho la transición entre los dos estados de energía. «Nadie pudo dormir esa noche«, contó Zhang. El equipo celebró en el laboratorio e incluso se tomó una selfie a las cuatro de la mañana.
Este avance aumentó la precisión de la medición en un millón de veces, y, aunque el prototipo de reloj nuclear aún no es tan preciso como los relojes ópticos actuales hechos de átomos de estroncio, contiene todos los elementos necesarios para convertirse en el primer reloj nuclear del mundo.
El Futuro Prometedor de los Relojes Nucleares
Con el desarrollo de los relojes nucleares, la ciencia podrá medir las constantes fundamentales de la física con una precisión que los relojes atómicos nunca alcanzaron. Constantes como la velocidad de la luz, por ejemplo, son pilares de nuestra comprensión del universo.
No obstante, algunas teorías sugieren que estos valores pueden variar ligeramente a lo largo del tiempo. Un reloj nuclear permitiría detectar estas variaciones, abriendo nuevas posibilidades para la exploración científica.
Además, un dispositivo de cronometraje tan preciso podría medir las pequeñas formas en que la gravedad afecta el tiempo, detectar ondas gravitacionales e incluso proporcionar pistas sobre la materia oscura —la sustancia invisible que compone alrededor del 27% del universo. Esto se debe a que la interacción de la materia oscura con el núcleo de torio-229 alteraría la frecuencia necesaria para excitar el núcleo.
Sin embargo, para que todo esto se convierta en una realidad, todavía es necesario reducir la incertidumbre en las mediciones del torio en al menos diez veces. «Lo que queda por hacer ahora es el trabajo técnico de desarrollo« dijo Thorsten Schumm, coautor del estudio y físico del Vienna Center for Quantum Science and Technology. Él prevé que los relojes nucleares superen a los atómicos en precisión dentro de dos a tres años.
Con pocos obstáculos tecnológicos por delante, los investigadores están confiados en que la era de los relojes nucleares está a punto de comenzar. «Ahora comienza la diversión« dijo el físico Eric Hudson. «Podemos realmente hacer que estas cosas sucedan.«
Los relojes nucleares prometen revolucionar no solo la forma en que medimos el tiempo, sino también cómo comprendemos los principios más fundamentales del universo.
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