La mayoría de los relojes, desde los de pulsera hasta los sistemas que controlan el GPS e internet, funcionan registrando movimientos regulares y repetitivos.
Para construir un reloj, se necesita algo que marque el tiempo de forma perfectamente repetible. En un reloj de péndulo, ese marque el tiempo es el movimiento regular del péndulo: de un lado a otro, de un lado a otro, casi a la misma velocidad en cada repetición.
Nuestro equipo de físicos estudia si algún día se podría construir un tipo de reloj aún mejor a partir del núcleo atómico. Los mejores relojes actuales ya utilizan átomos para mantener una precisión extraordinaria. Pero, en principio, un reloj basado en un núcleo —el diminuto y denso centro de un átomo— en lugar de en los electrones de un átomo, podría mantener un ritmo más constante, ya que sería menos sensible a perturbaciones ambientales como los cambios de temperatura.
En nuestra investigación, publicada en la revista Nature, medimos e interpretamos una propiedad nuclear única del torio-229 en un cristal que podría contribuir a hacer posible la creación de dichos relojes nucleares.
Los relojes de ultraprecisión son mucho más que curiosidades científicas. Desempeñan un papel fundamental en la navegación, las comunicaciones y la cronometría internacional. Las mejoras en la precisión horaria también pueden abrir nuevas vías para la investigación científica.
Cómo funcionan los relojes atómicos
En un reloj atómico, los investigadores dirigen un láser hacia un material y ajustan cuidadosamente la luz hasta que desencadena una respuesta atómica específica, generalmente al impulsar o excitar un electrón de un nivel de energía a otro. Pueden determinar que esto ha ocurrido porque los átomos absorben la luz láser con mayor intensidad cuando su energía es la precisa.
Esta absorción se produce a una frecuencia extremadamente precisa. La frecuencia es la cantidad de veces que algo se repite en el tiempo. En un péndulo, es el número de oscilaciones de vaivén por segundo. En la luz, es el número de ciclos de onda que pasan por segundo. La frecuencia de una onda de luz también determina su energía y, en el rango de luz visible, su color.
Al detectar cuándo los átomos absorben la luz láser con mayor intensidad, los científicos pueden usar el láser como un metrónomo. En lugar de contar oscilaciones, estos relojes cuentan ondas de luz.
Para asegurar que la frecuencia de reloj se mantenga constante y la precisión del reloj sea la misma, los científicos ajustan con precisión la energía del láser a la energía necesaria para excitar un electrón en un átomo.
Dado que la energía de excitación del electrón está determinada por las leyes de la física, los relojes atómicos basados en el mismo átomo marcan el tiempo a la misma velocidad en todo el universo; incluso E.T. estaría de acuerdo con tu reloj.
Sin embargo, usar esta energía para calibrar un reloj, como hacen los relojes atómicos, tiene sus consecuencias. Si algo altera la energía del átomo, como un campo magnético no detectado o la temperatura ambiente, el reloj marcará el tiempo a una velocidad diferente.
En el interior de cada átomo hay algo aún más pequeño: el núcleo. Los relojes atómicos actuales miden el tiempo registrando los cambios en los electrones de un átomo. Un reloj nuclear, en cambio, usaría una excitación en el propio núcleo, que es mucho más compacto.
Dado que un núcleo es 10,000 veces más pequeño que un átomo, es mucho menos sensible a la temperatura, los campos eléctricos y otras perturbaciones ambientales que los electrones de un átomo. Esto lo convierte en un candidato atractivo para un reloj aún más estable.
El desafío reside en que la naturaleza no facilita la construcción de un reloj de este tipo. La propiedad única que descubrimos en nuestra investigación podría ser de gran ayuda.
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¿Qué hace especial al torio-229?
En un caso excepcionalmente raro, el núcleo del elemento torio-229 posee una propiedad basada en sus dos estados: un estado fundamental y un estado excitado de energía ligeramente superior. Estos estados representan dos configuraciones distintas del núcleo, y los científicos pueden utilizar láseres para excitarlo de un estado a otro.
El primer paso fue determinar con exactitud cuánta energía se necesita para llevar el núcleo de torio-229 a su estado excitado. Esto llevó casi 50 años, una hazaña que nosotros y otros grupos logramos en 2024. Dicha transición ocurre a una frecuencia extraordinariamente alta, de aproximadamente 2 cuatrillones (2 × 10¹⁵) de ciclos por segundo.
A continuación, para asegurar que el láser tenga la frecuencia correcta para crear un reloj, es necesario verificar que el núcleo se haya excitado. Hasta ahora, los físicos creían que la mejor manera de hacerlo era buscar los débiles destellos de luz que suelen emitir los núcleos excitados.
Sin embargo, este enfoque presenta dos problemas.
Primero, en la mayoría de los materiales, los núcleos de torio liberan su energía no en forma de luz, sino mediante un proceso llamado conversión interna, en el que la energía se transfiere a un electrón del material.
Segundo, incluso cuando se emite luz, es extremadamente difícil detectarla. Se encuentra en el ultravioleta de vacío, una parte del espectro electromagnético que el aire absorbe y que, por lo tanto, es difícil de observar.
Una forma diferente de ‘escuchar’ el núcleo
En nuestro trabajo, invertimos el problema. En lugar de intentar captar la luz del núcleo, buscamos directamente los electrones de conversión interna que produce.
Creamos una capa muy delgada —de apenas unas decenas de átomos— de dióxido de torio sobre un pequeño disco metálico. Un láser sintonizado a la energía adecuada excitó los núcleos de torio en la muestra. Cuando algunos de estos núcleos se relajaron, transfirieron su energía a los electrones cercanos, que entonces pudieron abandonar la superficie. Utilizamos campos eléctricos y magnéticos cuidadosamente dispuestos para guiar esos electrones hacia un detector.
Al escanear el láser a través de diferentes frecuencias y registrar la cantidad de electrones detectados, pudimos medir la precisión con la que la energía del láser coincidía con la energía necesaria para excitar el núcleo. Cuando ambas coincidían exactamente, la señal aparecía claramente en los datos, revelando la frecuencia precisa del láser a la que los núcleos de torio-229 absorben con mayor intensidad.
También medimos cuánto tiempo sobrevivía el estado nuclear excitado en este material antes de relajarse, lo que nos permitió observar directamente cómo el material circundante influye en el núcleo.
Esta medición resulta mucho más valiosa al combinarla con la teoría. Los cálculos permiten estimar cómo el tipo de material utilizado modifica la energía necesaria para excitar el torio y con qué eficiencia convierte la energía del núcleo en electrones emitidos. Estos cálculos ayudan a los investigadores a distinguir el comportamiento intrínseco del núcleo de los efectos externos causados por el sólido que lo rodea. Esta comprensión es crucial para el diseño de relojes nucleares prácticos.
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Por qué importa este enfoque
Detectar electrones en lugar de luz tiene dos ventajas principales.
Primero, abre la puerta al estudio del torio-229 en una gama mucho más amplia de materiales sólidos, incluyendo algunos que los investigadores habían descartado previamente. Los métodos anteriores solo funcionaban mejor en materiales donde era difícil desprender electrones, lo que limitaba las opciones. Nuestro método elimina esa limitación, permitiendo a los científicos explorar materiales que antes no eran viables. Esta mayor variedad de materiales podría facilitar el diseño y la construcción de futuros relojes nucleares.
Segundo, este método podría dar lugar a un nuevo tipo de reloj nuclear más sencillo y potencialmente más fácil de miniaturizar. En lugar de necesitar detectores de luz sensibles, un reloj basado en este enfoque podría medir el tiempo mediante una pequeña corriente eléctrica producida por los electrones emitidos.
¿Para qué podrían usarse los relojes nucleares?
Algún día, los investigadores podrían usar relojes nucleares para comprobar si las constantes fundamentales de la naturaleza permanecen realmente constantes durante largos periodos de tiempo, o para buscar indicios de nueva física, como la materia oscura, en el universo. Unos relojes más estables también podrían mejorar las tecnologías que dependen de la sincronización horaria, como los sistemas de navegación avanzados.
Nuestro trabajo representa un primer paso en esa dirección. Si bien no proporciona un reloj definitivo, elimina una barrera práctica y ofrece una nueva herramienta experimental para estudiar el comportamiento del núcleo de torio en sólidos.
*Eric R. Hudson es profesor de Física y Astronomía en la Universidad de California, Los Ángeles, y Andrei Derevianko es profesor de Física en la Universidad de Nevada, Reno.
Este texto fue publicado originalmente en The Conversation
