Bienvenidos a la era de los relojes nucleares. Todavía no tienen la precisión de los atómicos que marcan la hora (y no solo) en la sociedad moderna. Pero al estar basados en el núcleo del átomo, la mejora es solo cuestión de tiempo. Más importante aún, serán herramientas que no se quedarán en contar el paso de las horas: podrán responder algunas de las cuestiones básicas de la física fundamental y hacer nuevas preguntas. Uno de los prototipos es obra de investigadores austríacos y alemanes, que han contado en Nature cómo lo han hecho. El otro lo han construido físicos chinos, y lo detallan en la misma revista, punta de lanza de la mejor ciencia. Es muy probable que en la lista de autores estén algunos ganadores del Nobel de Física dentro de unos años.
Científicos chinos y europeos presentan sendos prototipos que abren una nueva era en la medición del tiempo usando como ‘péndulo’ el torio-229
Bienvenidos a la era de los relojes nucleares. Todavía no tienen la precisión de los atómicos que marcan la hora (y no solo) en la sociedad moderna. Pero al estar basados en el núcleo del átomo, la mejora es solo cuestión de tiempo. Más importante aún, serán herramientas que no se quedarán en contar el paso de las horas: podrán responder algunas de las cuestiones básicas de la física fundamental y hacer nuevas preguntas. Uno de los prototipos es obra de investigadores austríacos y alemanes, que han contado en Nature cómo lo han hecho. El otro lo han construido físicos chinos, y lo detallan en la misma revista, punta de lanza de la mejor ciencia. Es muy probable que en la lista de autores estén algunos ganadores del Nobel de Física dentro de unos años.
El reloj desarrollado en la Universidad Tecnológica de Viena (UTV, Austria) ha logrado una precisión de 10-15, lo que equivale a un error de más o menos un segundo en 30 millones de años. “Es completamente normal que un nuevo tipo de reloj no supere inmediatamente a todas las tecnologías existentes; se trata de una primera prueba de concepto, y lo relevante es el potencial de mejoras futuras”, destaca Thorsten Schumm, investigador de la UTV y autor sénior del trabajo sobre el prototipo europeo.
“Para la vida cotidiana, con algunos matices, no necesitamos saber la hora con una precisión de un segundo en miles de millones de años”, recuerda Daniel de Mercado, físico del Centro Español de Metrología, del equipo que está desarrollando su propio reloj óptico atómico, este basado en las transiciones energéticas de iones de calcio-40.
El mayor interés por alcanzar estas precisiones no está en su uso como reloj convencional, sino en que tanto los relojes atómicos como los nucleares por venir pueden destripar la física fundamental. “Las frecuencias de las transiciones atómicas y nucleares dependen de las constantes y de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, de modo que una medición extremadamente precisa permite buscar pequeñas discrepancias entre el valor observado y el que predicen nuestras teorías”, explica de Mercado. “Si se encontraran desviaciones sistemáticas, podrían ser una señal de nueva física, por ejemplo, de interacciones todavía desconocidas o de la naturaleza de la materia oscura”.
Desde que científicos estadounidenses crearan con amoníaco el primer reloj atómico en los años 40 del siglo pasado y el segundo con cesio-133 poco después, la forma de contar el tiempo cambió de forma radical. Hoy, la definición oficial del segundo depende de las oscilaciones entre dos estados energéticos que tiene un átomo de cesio-133. Y son unas cuantas: 9.192.631.770 periodos. Harían falta cientos o miles de millones de años (según el reloj) para que uno de estos relojes retrasara o adelantara un segundo. Más allá de los laboratorios de física, tal precisión está detrás de operaciones críticas en geoposicionamiento, exploración espacial, telecomunicaciones, operaciones financieras, defensa…
“La historia de la relojería es una historia de frecuencias de tictac cada vez mayores”, recuerda Schumm. “Un reloj mejora cuanto más rápido marca o se balancea. Básicamente, cuanto más rápido sea el tictac, menos crítico será si te pierdes un movimiento del péndulo”, detalla el físico. Con los relojes atómicos, la frecuencia de la oscilación es tan alta que logran precisiones muy elevadas. “El reloj nuclear supone un paso más, ya que proporciona el tictac más rápido disponible actualmente”, completa Schumm.
Mientras los relojes atómicos se basan en la oscilación a nivel atómico o de los electrones que orbitan en él, los nucleares funcionan con respecto al núcleo. “Durante décadas, los resortes más rápidos y pequeños que pudimos encontrar fueron los átomos individuales. Pero están llegando a un límite; si los haces oscilar demasiado rápido, empiezas a arrancar electrones”, argumenta Schumm. De ahí la relevancia de lo que han logrado, el paso a los núcleos. “Son 1.000 veces más pequeños y las fuerzas nucleares involucradas son tremendas, lo que los convierte en un resorte o péndulo fantástico”, dice.
Tanto el reloj europeo como el desarrollado por el equipo de Shiqian Ding, físico de la Universidad Tsinghua de Pekín (China), tienen un diseño similar. Lo que hace de péndulo es el torio-229, cuyo núcleo cambia solo entre dos estados energéticos. Expuesto al paso de un láser específico, el sistema registra la frecuencia entre estados. A diferencia de los relojes atómicos, que usan varios millones de átomos, estos prototipos pueden contar con un cuatrillón de núcleos de torio introducidos en la matriz de otro material, en este caso un cristal de fluoruro de calcio.
Los relojes nucleares tienen la ventaja de que presentan una menor sensibilidad a perturbaciones externas. En un comentario también publicado en Nature, el científico del Instituto de Metrología de Japón, Akio Kawasaki, recuerda que “una de las principales fuentes de incertidumbre procede de los campos eléctricos externos”. Pero el núcleo, donde se reúnen las cuatro fuerzas fundamentales, en particular la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a neutrones y protones, promete ser mucho más resistente a los campos eléctricos externos.
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