Los físicos dan un paso importante y sin precedentes hacia la creación de un reloj 'nuclear' ultrapreciso

Los científicos han dado un paso más hacia la creación de un tipo de reloj totalmente nuevo basado en pequeños cambios en la energía de un núcleo atómico: el reloj "nuclear", que podría desbancar a los relojes atómicos.

reloj atómico (u óptico)
Un reloj nuclear sería más preciso y más estable que un reloj óptico (como el de la foto). Crédito: Andrew Brookes, National Physical Laboratory/Science Photo Library.

Los relojes atómicos miden el tiempo con tal precisión que se necesitan 30 mil millones de años para adelantar o atrasar un segundo. Fueron cruciales en el desarrollo de sistemas GPS y otras tecnologías.

Pero ha llegado el momento de que esta tecnología de medición del tiempo allane el camino para relojes aún más precisos. Ahí es donde entran en juego los relojes “nucleares”. En los relojes atómicos es un átomo el que funciona como oscilador, mientras que en los relojes nucleares sólo se utiliza el núcleo de un átomo, por lo que reciben este nombre ('nucleares').

Un reloj "nuclear" puede medir el tiempo con mucha más precisión que los mejores relojes atómicos disponibles actualmente y también ser menos sensible a las perturbaciones.

Ahora, los científicos han dado un gran paso para hacer posible un reloj nuclear ultrapreciso. Después de décadas de intentos, lograron manipular el único átomo que puede vencer los relojes atómicos con luz (láser). Los resultados del experimento fueron publicados en la revista Physical Review Letters.

Las características de los relojes atómicos y nucleares

Para construir un reloj se necesitan dos cosas: algo que oscile periódicamente y algo que cuente las oscilaciones.

En el reloj atómico (u óptico), es un átomo el que funciona como oscilador. Los electrones del átomo se energizan, saltando de un estado fundamental a un estado excitado (de mayor energía). Cuando se corta la energía, vuelve a su estado inicial, liberando un fotón, correspondiente a la energía que había ganado. Luego se cuenta la frecuencia de los fotones emitidos por el átomo cuando los electrones energizados regresan a su estado fundamental.

rayo láser que incide en los núcleos de átomos de torio-229
Ilustración del experimento, que muestra un rayo láser incidiendo en los núcleos de átomos de torio-229 incrustados en un cristal. Crédito: TU Wien.

En el reloj nuclear, el principio es similar. La diferencia es que en lugar del átomo entero, se utiliza la energía que se encuentra en el núcleo del átomo. El truco consiste en energizar el núcleo atómico mediante un láser y, a continuación, medir la radiación emitida por el núcleo cuando vuelve a su estado básico. Hasta entonces, la dificultad radicaba en que, de todos los núcleos atómicos conocidos por la ciencia, sólo uno podía servir para este fin: el núcleo del elemento torio-229, y nadie había conseguido aún energizar el núcleo atómico del torio-229 con un láser.

"Normalmente, los núcleos atómicos no pueden manipularse con láser. La energía de los fotones simplemente no es suficiente", explicó el físico Thorsten Schumm, coautor del estudio.

Un paso más hacia la creación del reloj "nuclear

Sin embargo, los investigadores pudieron, por primera vez, energizar un núcleo atómico del metal radiactivo torio-229 utilizando un láser ultravioleta, provocando que cambiara entre estados de energía. Y la frecuencia de la luz absorbida y emitida por el núcleo funciona como el tic-tac de un reloj. Esto se logró gracias a una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Viena en Austria y el Instituto Nacional Alemán de Metrología en Braunschweig.

Para observar esta transición de un estado cuántico a otro, los científicos colocaron átomos radiactivos de torio-229 en pequeños cristales de fluoruro de calcio. Al escanear la región esperada con un láser especialmente desarrollado, finalmente dieron con la frecuencia correcta: alrededor de 2 petahercios (1015 oscilaciones por segundo), que detectaron identificando los fotones emitidos cuando los núcleos regresaron a su estado de energía más bajo. El equipo encontró la frecuencia con una resolución 800 veces mejor que la encontrada anteriormente por otros investigadores.

Ilustración de la excitación láser de un núcleo de torio 229
Ilustración de la excitación láser de un núcleo de torio-229, con neutrones y protones en azul y rojo, que provoca su transición a un estado excitado isomérico (229mTh) de muy baja energía (8,35574 eV). Cuando el núcleo vuelve a su estado fundamental, emite fotones a 148,3821 nm. Esta transición nuclear podría utilizarse como frecuencia de reloj que constituya la base de un dispositivo de cronometraje extremadamente preciso. Crédito: P. Thirolf/LMU; adaptado por APS/A. Stonebraker.

Para convertir esto en un reloj real, será necesario reducir la resolución del láser, para que estimule el núcleo atómico a la frecuencia adecuada para que se lea de manera confiable; y se cree que esto será posible en un futuro próximo. Según los investigadores, un reloj nuclear basado en torio-229 podría ser unas 10 veces más preciso que los mejores relojes ópticos (atómicos). Alojar los núcleos en un cristal sólido también podría ayudar a que el reloj sea más compacto y portátil que los sistemas ópticos.

Referencia de la noticia:

Tiedau, J. et al. Laser Excitation of the Th-229 Nucleus. Physical Review Letters, v. 132, 2024.