El primer "reloj nuclear" del mundo es un millón de veces más preciso

Madrid

Un reloj de pulsera que no se atrasa ni un segundo aunque funcione durante miles de millones de años. Este es ahora el gran reto de la ciencia y un equipo internacional de científicos (liderados por Estados Unidos) acaba de dar un paso de gigante, porque están desarrollando los componentes básicos del primer "reloj nuclear" de la historia.

Y este dispositivo es un millón de veces más preciso, incluso, que los actuales "relojes atómicos" que regulan el tiempo en todo el mundo y que son imprescindibles para el buen funcionamiento, por ejemplo, del GPS, de Internet o de las transacciones bancarias.

Ahora mismo, el mundo mide el tiempo con los "tictac" de los relojes atómicos, pero este nuevo tipo de reloj en desarrollo (el reloj nuclear) podría revolucionar el modo en que medimos el tiempo y analizamos la física fundamental, según los resultados de este nuevo proyecto pionero que publica Nature.

De momento, un equipo internacional de científicos (dirigido por el JILA, un instituto de Estados Unidos, y la Universidad de Colorado) ha demostrado ya la eficacia de los "elementos clave" de este nuevo reloj nuclear.

El secreto atómico

Un reloj nuclear es un nuevo tipo de dispositivo para medir el tiempo que utiliza señales procedentes del núcleo de un átomo.

Este 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.

Y, aunque esta demostración de laboratorio no es aún un reloj nuclear completamente desarrollado, contiene toda la tecnología básica para poder fabricar uno.

Grandes ventajas

Los relojes nucleares podrían ser mucho más precisos que los relojes 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.

Para el público en general, este avance podría significar en última instancia 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.

Más allá de la tecnología cotidiana, los relojes nucleares podrían mejorar las pruebas de las teorías fundamentales sobre el funcionamiento del universo, lo que podría conducir a nuevos descubrimientos en física.

De hecho, podrían ayudar a detectar la materia oscura o verificar si las constantes de la naturaleza son realmente constantes, lo que permitiría verificar las teorías de la física de partículas sin necesidad de instalaciones de aceleradores de partículas a gran escala.

Precisión láser

Los relojes atómicos miden el tiempo ajustando la luz láser a frecuencias que hacen que los electrones salten entre niveles de energía.

En cambio, los relojes nucleares utilizarían saltos de energía dentro de la diminuta región central de un átomo, conocida como núcleo, donde las partículas llamadas protones y neutrones se amontonan.

Y 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.

Menos problemas técnicos

Un reloj nuclear ofrecería importantes ventajas en términos de precisión. En comparación con los electrones de los relojes atómicos, el núcleo se ve mucho menos afectado por perturbaciones externas, como los campos electromagnéticos dispersos.

Además, 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 "tic tacs" por segundo y, por lo tanto, conduce a una medición del tiempo más precisa.

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).

Gran dificultad

En 1976, los científicos descubrieron este salto de energía del torio, conocido como "transición nuclear" en el lenguaje de la física.

En 2003, otros investigadores ya propusieron utilizar esta transición para crear un reloj, y, a principios de este año, dos equipos diferentes utilizaron láseres ultravioleta (que crearon en el laboratorio) para activar el "interruptor" nuclear y medir la longitud de onda de la luz necesaria para ello.

En este nuevo proyecto, este equipo de investigadores ya han creado todas las partes esenciales de un reloj: la transición nuclear de torio-229 para proporcionar los "tic tacs" del reloj, un láser para crear saltos de energía precisos entre los estados cuánticos individuales del núcleo y un peine de frecuencias para mediciones directas de estos "tic tacs".

Este esfuerzo ha logrado un nivel de precisión que es un millón de veces mayor que la medición basada en longitudes de onda anterior.

La investigación ya ha producido resultados sin precedentes, incluida la capacidad de observar detalles en la forma del núcleo de torio que nadie había observado antes y que es como ver hojas de hierba individuales desde un avión.

El tiempo en el futuro

Aunque todavía no se trata de un reloj nuclear en funcionamiento, es un paso crucial hacia la creación de un reloj que sea portátil y muy estable.

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" - explica Jun Ye, uno de los físicos que ha liderado este proyecto pionero del NIST y del JILA-, "aunque todavía no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión".