Durante siglos hemos construido relojes cada vez más precisos. Primero fueron mecanismos con ruedas y engranajes; después llegaron los péndulos, el cuarzo y, finalmente, los relojes atómicos . Ahora los físicos han dado un paso que, hasta hace muy poco, parecía casi imposible: han conseguido que sea el propio núcleo de un átomo el que marque el paso del tiempo.
Es decir, han construido el primer reloj nuclear de la historia.El logro ha sido conseguido por dos equipos de investigadores, cada uno por su cuenta y de forma independiente. Ambos acaban de presentar en 'Nature' los primeros relojes nucleares operativos basados en el isótopo torio-229.
Uno, dirigido por investigadores de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) y el Instituto alemán PTB, ha construido un reloj que se estabiliza por sí mismo y puede funcionar durante más de 24 horas sin intervención humana alguna. El otro, dirigido por Shiqian Ding y colaboradores en China, ha demostrado que dos relojes construidos con cristales diferentes producen prácticamente la misma frecuencia.Todavía no son los relojes más precisos del mundo.
Pero sí son los primeros que demuestran que la idea funciona a la perfección. Y eso cambia por completo las cosas.Durante más de setenta años, la humanidad ha confiado en los relojes atómicos para medir el paso del tiempo con una precisión asombrosa. Gracias a ellos, funcionan nuestros sistemas GPS, se sincronizan las transacciones financieras globales y operan las inmensas redes de telecomunicaciones que envuelven al mundo.Simplificando mucho, un reloj atómico convencional funciona como un columpio extremadamente preciso.
Un láser hace saltar los electrones de un átomo entre dos estados de energía y mide la frecuencia exacta de esa transición. Y como esa frecuencia es extraordinariamente estable, puede utilizarse como un metrónomo universal .Los núcleos atómicos son unas diez mil veces más pequeños que los átomos; su inmensa estabilidad frente a las perturbaciones externas los convierte en los relojes perfectosLos nuevos relojes hacen algo parecido, pero sustituyen el átomo por algo que es unas 10.000 veces más pequeño y compacto: su núcleo.La ventaja es que los protones y neutrones del núcleo están fuertemente ligados y son mucho menos sensibles a perturbaciones externas que los electrones 'saltando' dentro del átomo.
De hecho, un campo eléctrico, un campo magnético o incluso determinadas variaciones del entorno pueden alterar ligeramente la frecuencia de un reloj atómico. El núcleo, en cambio, está mucho mejor protegido.El problema, sin embargo, es que las transiciones de los núcleos suelen requerir de energías enormes, mucho mayores de las que ningún láser convencional es capaz de alcanzar.
Salvo en un caso extraordinario: el torio-229.Imagen del cristal (en su soporte) dentro del sistema de vacío, con el rayo láser sondeando los núcleos de torio. T. Schumm TU WienEl átomo que tenía una puerta entreabiertaHace ya más de dos décadas, en 2003, el físico Ekkehard Peik, del Instituto Nacional de Metrología de Alemania (PTB), se dio cuenta de que este isótopo radiactivo del torio poseía una anomalía extraordinaria, dos estados de energía tan próximos entre sí (el uno a apenas unos 8,4 electronvoltios del estado fundamental), que un láser convencional podría 'colarse' en medio.
Fue como descubrir que, entre las gruesas paredes de una caja fuerte, existe una pequeña puerta que puede abrirse con una llave corriente. En palabras de Peik, «Como tiene dos estados de energía muy próximos, un láser es suficiente para alterar el estado del núcleo del átomo».Los nuevos relojes todavía no superan a los mejores relojes atómicos, pero ya permiten buscar señales de materia oscura y posibles cambios en las constantes fundamentalesPero saber que esto era teóricamente posible no significaba, ni mucho menos, que fuera fácil de conseguir.
Durante veinte largos años, en efecto, Peik y su colega Thorsten Schumm, de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien), buscaron incansablemente esa 'llave'. Es decir, persiguieron la frecuencia exacta de luz láser necesaria para que el torio-229 hiciera 'tictac'.
Fue una búsqueda agónica. «Para excitar el núcleo -recuerda Peik-, la energía de la transición, que se conoce sólo de forma aproximada, tiene que coincidir con la de un láser con un margen de una millonésima de electronvoltio», Era, en sus propias palabras, como buscar una aguja en un inmenso pajar.El punto de inflexión llegó cuando el equipo de Viena logró cultivar cristales especiales de fluoruro de calcio 'dopados' con torio.
En lugar de atrapar átomos individuales flotando en una cámara de vacío (como hacen los complejos relojes atómicos actuales), introdujeron billones de núcleos de torio directamente en la red de un cristal sólido. Lo que multiplicó las posibilidades de que el láser diera en la diana en alguno de ellos.El prototipo actual tiene un margen de error de un segundo cada 30 millones de años, un resultado calificado de 'fantástico' para el primer reloj nuclear de la historiaEn abril de 2024, la primera pieza del rompecabezas encajó: lograron excitar los núcleos.
Pero eso era sólo el principio. Excitar el núcleo era una cosa, y construir un reloj, otra muy distinta.En los primeros experimentos había que iluminar el cristal durante un tiempo y después apagar el láser para observar la fluorescencia emitida por los núcleos excitados.
Pero el proceso, explica Peik, tardaba 10 minutos en completarse, y eso era demasiado lento. Para un reloj, explota el investigador, esperar diez minutos para saber si se está desviando o no es como conducir un coche mirando el velocímetro una vez cada kilómetro.
Había que conseguir un reloj que tuviera la capacidad de autoestabilizarse.El primer 'tic' de una nueva era«Lo que realmente quieres -detalla Thorsten Schumm- es un reloj nuclear que se estabilice a sí mismo. La idea básica es sencilla: tienes un láser y tienes torio.
El láser cambia el estado de energía de los núcleos de torio, y los núcleos de torio se utilizan para estabilizar la frecuencia del láser».La solución llegó gracias a un láser de estado sólido extraordinariamente compacto y preciso, desarrollado por el PTB y el Instituto Max Born de Berlín y gracias al cual los investigadores consiguieron medir la energía absorbida por los núcleos en tiempo real, sin tener que interrumpir el haz de luz.
El mecanismo es el siguiente: si la frecuencia del láser se desvía un solo ápice, la absorción del torio cae, el sistema lo detecta instantáneamente y el láser se reajusta de forma automática. El reloj, simplemente, se estabiliza por sí mismo y no pierde el compás.El resultado es el primer prototipo de reloj nuclear totalmente autónomo, capaz de funcionar de forma estable durante más de 24 horas sin intervención humana alguna.
Su precisión actual arroja un error de apenas un segundo cada 30 millones de años.«Aún no está al nivel de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo -admite Schumm-, pero para un primer prototipo es un resultado fantástico». Los investigadores, de hecho, ya saben exactamente qué tuercas deben apretar (láseres más potentes y cristales de torio aún más puros) para que, en un futuro cercano, el reloj nuclear pulverice todos los récords de la metrología, superando la precisión de los sistemas actuales en varios órdenes de magnitud.A la caza de la materia oscura¿Y para qué necesitamos medir el tiempo con semejante exactitud?
La respuesta va más allá de la mera cronometría. Porque un reloj tan preciso se convierte, de facto, en un sensor tan delicado que es incluso capaz de detectar las fluctuaciones más sutiles del tejido del espacio-tiempo.De hecho, tal y como se detalla en los artículos de 'Nature', este primer prototipo ya se ha puesto a trabajar en un experimento de física fundamental: la búsqueda de posibles acoplamientos entre el núcleo de torio-229 y ciertas formas de materia oscura, la misteriosa sustancia invisible cinco veces más abundante que la materia 'normal' del Universo (la que brilla al emitir radiaciones electromagnéticas) y que hasta ahora se nos escapa por completo de las manos.Pero el potencial de los futuros relojes nucleares va incluso más allá de la materia oscura.
El reloj, por ejemplo, podría utilizarse también para comprobar si las constantes fundamentales del Universo son realmente constantes. El reloj nuclear, pues, ya ha empezado a funcionar. Y, por primera vez, su 'tictac' no procede de los electrones que rodean un átomo, sino de algo mucho más profundo: el corazón mismo de la materia.
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