“Imagina un reloj de pulsera que no perdería ni un segundo incluso si lo dejaras funcionando durante miles de millones de años”.
“Aunque aún no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión”.
El físico Jun Ye es investigador del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos y profesor de la Universidad de Colorado en Boulder.
Y el reloj al que se refiere es un reloj nuclear.
En un reciente estudio que fue tapa de la revista Nature, Ye y un equipo internacional de científicos describen el primer prototipo de ese tipo de reloj y demuestran que todos los componentes que necesita ya son una realidad.
Actualmente el estándar utilizado a nivel mundial para medir el tiempo son los relojes atómicos.
Los relojes nucleares no solo serían aún más precisos que los atómicos, sino que ayudarán a los científicos a explorar grandes misterios del universo como la materia oscura.
Llegar a este punto en el desarrollo de un reloj nuclear ha llevado décadas. ¿Por qué es tan importante el avance descrito en la revista Nature? ¿Y cuál es la diferencia entre un reloj atómico y un reloj nuclear?
Qué es un reloj atómico y cómo influye en tu día a día
Los relojes atómicos registran señales de electrones que cambian su estado de energía, lo que se conoce como un “salto cuántico”.
“Cualquier reloj tiene dos componentes: algo que hace de tic tac, como el péndulo, y algo que cuenta esas oscilaciones”, explica a BBC Mundo la científica colombiana Ana María Rey, física teórica atómica del NIST, profesora de la Universidad de Colorado en Boulder y experta en relojes atómicos.
“En un reloj normal de péndulo, uno ve que el reloj tiene el péndulo y un mecanismo que mueve el péndulo y nos informa cuántas veces se ha movido”.
En el caso del reloj atómico, agrega Rey, lo que oscila (el equivalente al péndulo) es una onda electromagnética de luz que, típicamente, en los relojes atómicos ópticos es un láser, y lo que cuenta las oscilaciones son los electrones de los átomos.
“Las oscilaciones en un reloj atómico pueden ser tan rápidas que ni siquiera los aparatos electrónicos normales las pueden medir”.
“Pero los electrones, por el contrario, como absorben energía a solamente ciertas frecuencias, son los que nos permiten determinar cuándo la frecuencia del láser es exactamente la frecuencia del electrón, porque cuando eso pasa el electrón hace una transición del nivel base al nivel excitado”.
“Y como el láser tiene cierto número de oscilaciones en cierto tiempo, eso nos permite determinar una manera universal, una medida del tiempo.”
Es gracias a los relojes atómicos que actualmente se sincroniza a lo largo del planeta con precisión de hasta al menos el decimosexto dígito el tiempo en computadoras, celulares y muchas otras tecnologías como la investigación espacial.
“En general, todas las medidas que tenemos dependen de la medida del tiempo. Por ejemplo, la medida de distancia se basa en que sabemos la velocidad de la luz.”
Los relojes atómicos están “en todo”, señala Rey.
“Por ejemplo en los satélites que controlan los GPS. Cuando nosotros miramos nuestros GPS y pedimos instrucciones de cómo ir de un sitio a otro dependemos de los relojes atómicos que están en esos satélites”.
Cómo funciona un reloj nuclear
En el caso del reloj nuclear no se utilizan señales de electrones, sino del núcleo de un átomo.
“Como hemos dicho, el reloj atómico excita los electrones del átomo. Sin embargo, el átomo no solamente tiene electrones, también tiene el núcleo que está formado por protones y neutrones, y esos estados del núcleo también se pueden excitar”, explica Rey.
“El problema es que esas excitaciones requieren una energía muy alta, pero se ha descubierto cierta clase de átomos, el torio, donde la energía para excitar es mucho más baja que las energías estándares que se encuentran en el núcleo”.
El núcleo solo absorbe energía de un láser en un rango de frecuencias muy pequeño. Y encontrar la frecuencia exacta de ese láser ultrapreciso para generar la transición en el núcleo ha sido un esfuerzo de décadas.
Rey señala que a pesar de que esa transición se había predecido en la década de los 70 no se había hallado porque era como “encontrar una aguja en un pajar”.
Lo que lograron ahora los científicos del estudio en la revista Nature fue utilizar un láser ultravioleta especialmente diseñado para medir con precisión la frecuencia de un salto de energía en núcleos de torio incrustados en un cristal sólido.
“El reloj nuclear utiliza un salto cuántico dentro del núcleo atómico, que es incluso un factor 1000 más pequeño que el átomo mismo. Nuestro trabajo demostró por primera vez que esto es posible. En este caso es un neutrón que salta a un estado energético diferente”, explica a Mundo el científico alemán Thorsten Schumm, investigador de la Universidad Tecnológica de Viena y otro de los autores del estudio.
Schumm cree que el reloj nuclear será una realidad en un futuro cercano.
“Creo que a partir de ahora las cosas avanzarán muy rápido. Ya en un año hemos visto un progreso increíble y puedo prometer más cosas maravillosas próximamente”.
“Lo que más se necesita es un desarrollo en el lado de los láseres… Yo diría que no llevará más de cinco años”.
“Con este primer prototipo hemos demostrado que el torio puede utilizarse como cronómetro para mediciones de muy alta precisión. Solo queda el trabajo de desarrollo técnico, sin que quepa esperar obstáculos importantes”.
