Avance en tecnología de relojes nucleares: precisión sin precedentes en la medición del tiempo

MadridInvestigadores de JILA, un instituto afiliado a NIST y la Universidad de Colorado Boulder, han logrado avances en relojes nucleares, mejorando la precisión en la medición del tiempo. A diferencia de los relojes atómicos que utilizan cambios en los niveles de energía de los electrones, los relojes nucleares miden cambios en los niveles de energía del núcleo de un átomo, que incluye protones y neutrones.

Los investigadores demostraron componentes clave de este reloj nuclear utilizando torio-229. Lo lograron a través de:

• Emplear un láser ultravioleta especialmente diseñado para medir la frecuencia de un salto de energía en núcleos de torio incrustados en un cristal sólido.
• Utilizar un peine de frecuencias ópticas para contar el número de ciclos de onda ultravioleta asociados a este salto de energía.
• Establecer un vínculo de frecuencia directo entre la transición nuclear del torio y un reloj atómico utilizando estroncio.

Esta nueva tecnología promete una precisión extrema en la medición del tiempo. Los relojes atómicos actuales, fundamentales para el GPS, la sincronización de internet y las transacciones financieras, podrían ser menos precisos en comparación con los relojes nucleares. Esta mejora podría llevar a sistemas de navegación más eficientes, internet más rápido y comunicaciones digitales más seguras.

Los relojes nucleares son más resistentes a las perturbaciones externas que los relojes atómicos. En los relojes atómicos, los electrones se ven influidos por campos electromagnéticos, mientras que las transiciones nucleares son menos afectadas por estos campos. Además, los relojes nucleares miden el tiempo con mayor precisión debido a que operan a una frecuencia más alta gracias a los cambios de energía más rápidos.

Crear rayos X coherentes para transiciones nucleares es complicado. Sin embargo, el torio-229 es especial porque su transición puede ser inducida con luz ultravioleta, la cual es más fácil de generar en un laboratorio. Experimentos recientes han logrado observar y emplear esta transición, acercándonos al desarrollo de relojes nucleares.

La investigación descubrió nuevos detalles sobre la forma del núcleo de torio, demostrando el alto nivel de precisión que se puede lograr con esta nueva tecnología. Características del núcleo de torio, antes no observadas, proporcionan conocimientos que podrían transformar los experimentos en física fundamental. Por ejemplo, los relojes nucleares podrían ayudar a detectar materia oscura o confirmar la estabilidad de las constantes básicas de la naturaleza, tareas que típicamente son manejadas por grandes aceleradores de partículas.

Se está desarrollando un nuevo tipo de reloj nuclear portátil y fiable. Los científicos están experimentando con el uso de torio incrustado en un cristal sólido para crear estos dispositivos. Este enfoque es prometedor porque el núcleo del torio es menos susceptible a los cambios ambientales. El físico Jun Ye del NIST y JILA señaló que, aunque aún no es posible tener un reloj de pulsera que permanezca exacto durante miles de millones de años, la investigación está avanzando de manera significativa en esa dirección.

La mejora en la precisión de los relojes podría generar avances significativos en diversos campos como el transporte, la comunicación y la física teórica. Esto abriría nuevas oportunidades en estas áreas, todas influenciadas por una mejor medición del tiempo.