Una nueva generación de relojes acaba de comenzar a funcionar. Equipos científicos de Europa y China han presentado los primeros relojes nucleares operativos, dispositivos que utilizan el núcleo del átomo en lugar de sus electrones para establecer una referencia temporal. El prototipo europeo ya alcanza una precisión aproximada equivalente a desviarse apenas un segundo en unos 30 millones de años, aunque todavía tiene margen para mejorar y superar a los mejores relojes atómicos actuales.
El primer reloj nuclear convierte una vieja idea en una máquina real
Durante décadas, los relojes atómicos han representado una de las formas más precisas de medir el tiempo. Son esenciales mucho más allá de saber qué hora es: tecnologías como la navegación por satélite, las telecomunicaciones, la sincronización de redes y numerosos experimentos científicos dependen de referencias temporales extremadamente estables.
Ahora, la física ha dado un nuevo paso.
Dos equipos independientes, uno europeo con participación de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) y otro chino, han demostrado sistemas de reloj nuclear basados en torio-229. Los resultados fueron publicados el 7 de octubre en la revista científica Nature.
La diferencia fundamental se encuentra en qué parte del átomo se utiliza como referencia.
Los relojes atómicos convencionales de alta precisión observan transiciones entre estados energéticos de los electrones. Los nuevos relojes trasladan esa referencia al propio núcleo atómico.
Y ese pequeño cambio conceptual puede tener enormes consecuencias.
Los núcleos son muchísimo más pequeños que los átomos completos y están mejor protegidos frente a determinadas perturbaciones externas. Esto los convierte, al menos en teoría, en candidatos extraordinariamente estables para construir relojes todavía más precisos.
Recreación editorial del torio-229 posee una transición nuclear excepcional que permite utilizar el propio núcleo del átomo como referencia temporal.
Un segundo de error en unos 30 millones de años
Uno de los datos más sorprendentes procede del dispositivo desarrollado en Viena.
La TU Wien asegura que la precisión conseguida por su nuevo prototipo es aproximadamente de 10⁻¹⁵. Expresado de una manera mucho más comprensible, equivaldría a un error aproximado de un segundo cada 30 millones de años.
Puede parecer una precisión prácticamente imposible de mejorar, pero los propios investigadores reconocen que el dispositivo todavía no alcanza el rendimiento de los mejores relojes atómicos ópticos existentes.
Ahí está precisamente una de las claves del descubrimiento: se trata de una tecnología en sus primeras etapas.
El equipo europeo consiguió además que el sistema permaneciera estable durante más de 24 horas sin intervención, demostrando que el concepto puede funcionar como un reloj autónomo y no únicamente como un experimento puntual de laboratorio.
Los científicos esperan mejorar significativamente sus prestaciones utilizando, entre otras cosas, láseres más potentes y cristales de torio de mayor calidad.
Por eso, el récord actual no es necesariamente lo más importante. La expectativa científica reside en lo que esta tecnología podría conseguir durante los próximos años.
Torio-229: el elemento que hace posible el reloj
El protagonista de esta revolución temporal es el torio-229, un isótopo radiactivo con unas propiedades extraordinariamente particulares.
Los investigadores europeos introdujeron núcleos de torio-229 en un pequeño cristal de fluoruro de calcio. Posteriormente utilizaron un láser ultravioleta de gran precisión para interactuar con una transición energética específica del núcleo.
El sistema europeo emplea radiación de aproximadamente 148 nanómetros y estabiliza continuamente el láser utilizando la propia transición nuclear como referencia.
Dicho de una forma sencilla, el núcleo funciona como el “péndulo” del reloj.
La gran diferencia es que ese péndulo no mide centímetros ni milímetros. Está en el interior de un átomo.
Los equipos de Europa y China han seguido aproximaciones experimentales distintas. Reuters señala que el grupo europeo dispone de cristales de torio especialmente avanzados, mientras que el equipo chino ha trabajado con una tecnología láser particularmente potente. Esa diversidad podría resultar útil para futuros desarrollos.
Recreación editorial de los primeros relojes nucleares operativos abren una nueva carrera para conseguir mediciones temporales todavía más precisas.
¿Para qué necesitamos relojes tan increíblemente precisos?
La pregunta resulta inevitable. Si nuestros teléfonos y ordenadores ya muestran correctamente la hora, ¿qué utilidad tiene construir un reloj capaz de mantener una precisión durante millones de años?
La respuesta es que estos dispositivos no están pensados principalmente para sustituir el reloj de una persona.
La medición ultraprecisa del tiempo es una infraestructura invisible sobre la que funcionan numerosas tecnologías modernas.
La navegación por satélite necesita comparar señales temporales extremadamente precisas para determinar posiciones. Las telecomunicaciones y las grandes redes digitales también requieren sincronización. Una nueva generación de relojes más compactos, robustos y precisos podría mejorar esas aplicaciones.
Pero existe otra posibilidad todavía más interesante.
Los relojes nucleares pueden convertirse en instrumentos para investigar las propias leyes de la naturaleza.
Del tiempo a la materia oscura
Las constantes fundamentales de la física se consideran, como indica su nombre, constantes. Sin embargo, los científicos siguen buscando posibles variaciones extremadamente pequeñas que pudieran revelar fenómenos desconocidos.
Un reloj nuclear extraordinariamente sensible podría detectar alteraciones que resultan prácticamente invisibles para otros instrumentos.
Entre las posibilidades estudiadas se encuentra la búsqueda de señales relacionadas con la materia oscura, uno de los grandes misterios de la física moderna. Reuters destaca que estos dispositivos ya están siendo empleados en experimentos de física de alta precisión.
También podrían servir para realizar nuevas pruebas sobre principios fundamentales de la física y estudiar con mayor precisión posibles cambios en determinadas constantes de la naturaleza. Nature destaca precisamente esta sensibilidad como una de las aplicaciones fundamentales de la tecnología basada en torio-229.
Así, la carrera por fabricar el reloj definitivo podría terminar proporcionando algo mucho más importante que una hora exacta: nuevas pistas sobre cómo funciona el universo.
Una nueva carrera científica acaba de empezar
Europa y China han alcanzado prácticamente al mismo tiempo un objetivo perseguido durante años.
Los dispositivos actuales todavía son prototipos y no han destronado a los mejores relojes ópticos. Sin embargo, haber conseguido transformar las transiciones del núcleo de torio-229 en una referencia estable supone un salto fundamental.
La Universidad Tecnológica de Viena considera que los núcleos atómicos ofrecen una ventaja decisiva: son más de 10.000 veces menores que los propios átomos y reaccionan mucho menos a determinadas perturbaciones externas.
El siguiente objetivo será reducir todavía más las fluctuaciones y aumentar la estabilidad de los dispositivos.
Si las mejoras previstas funcionan, los relojes nucleares podrían terminar superando los límites de las tecnologías actuales y convertirse en herramientas capaces de realizar mediciones que hoy parecen imposibles.