Hace apenas unos meses se produjo un gran avance que se había estado gestando durante décadas y que los científicos ya están descubriendo: la medición de la brecha entre los estados de energía cuántica de un núcleo de torio ha servido para crear el primer reloj nuclear rudimentario. Al acoplar un reloj atómico de estroncio a un cristal que contiene núcleos de torio, un equipo de físicos ha demostrado con éxito la tecnología básica que nos llevará al primer reloj nuclear completamente realizado y desarrollado. Este hito, que todavía no se ha alcanzado, abrirá un nuevo campo en el ámbito de la medición del tiempo de alta precisión.
“Con este primer prototipo hemos demostrado que el torio puede utilizarse como cronómetro para mediciones de altísima precisión”, explica el físico Thorsten Strumm de la Universidad Tecnológica de Viena.
“Solo queda por realizar el trabajo de desarrollo técnico, ya que no se esperan más obstáculos importantes”.
Un reloj atómico es un reloj que se basa en el “tictac” muy preciso de los átomos cuando cambian de estado energético cuando son estimulados por un láser, tal y como determinan los estados de los electrones que giran alrededor del núcleo en el centro atómico. Sin embargo, esto es mucho más difícil de lograr con el propio núcleo, ya que se necesita mucha más energía para cambiar su estado energético que para cambiar el estado energético de los electrones.
Sin embargo, un reloj nuclear es muy deseable, ya que sería mucho más estable y preciso que un reloj atómico. A su vez, un reloj nuclear permitiría mediciones más precisas del Universo físico, lo que tiene implicaciones para todo, desde la navegación hasta la búsqueda de materia oscura.
A principios de este año se anunció una medición del salto de energía (la diferencia entre los estados energéticos) de un núcleo de torio. Y esto ha permitido a Strumm y sus colegas determinar la energía precisa necesaria para crear el cambio de estados energéticos, el mecanismo por el que funcionaría un reloj nuclear. El siguiente paso fue demostrar que podían crear un reloj a partir de este tictac, y eso es lo que Strumm y sus colegas han hecho ahora.
El reloj que demostraron no es la experiencia completa del reloj nuclear, pero sí los primeros pasos en esa dirección. El reloj de estroncio del JILA en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología funciona con luz infrarroja. El equipo creó un pequeño cristal de fluoruro de calcio que contiene núcleos de torio, cuyos estados de energía se cambian utilizando luz ultravioleta de vacío.
Para acoplar el cristal al reloj atómico, los investigadores necesitaban encontrar una forma de convertir la luz infrarroja en ultravioleta. Lo hicieron creando un peine de frecuencias de longitudes de onda infrarrojas y haciéndolo pasar por gas xenón, que interactúa con la luz infrarroja para emitir longitudes de onda ultravioleta.
El resultado fue un peine de frecuencias combinado que podía excitar la transición de los núcleos de torio y sincronizarla con el tictac de los átomos de estroncio. El tictac nuclear resultante no es más preciso que el reloj atómico de estroncio, pero ahora que se ha demostrado el concepto básico, la tecnología real está a la vista y muy cerca de su realización completa, dicen los investigadores.
“Imaginemos un reloj de pulsera que no se desfasara ni un segundo aunque lo dejáramos funcionando durante miles de millones de años. Aunque todavía no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión”, afirma el físico Jun Ye del JILA.
El equipo realizó su experimento muchas veces y, en cada ocasión, obtuvo resultados compatibles con un reloj atómico. El siguiente paso será perfeccionarlo.
“Cuando excitamos la transición por primera vez, pudimos determinar la frecuencia con una precisión de unos pocos gigahercios. Eso ya era más de un factor de mil mejor que todo lo conocido hasta ahora. Ahora, sin embargo, tenemos una precisión en el rango de los kilohercios, que es, de nuevo, un millón de veces mejor”, afirma Schumm.
“De esa manera, esperamos superar a los mejores relojes atómicos en dos o tres años”.
La investigación se ha publicado en Nature.
Fuente: Science Alert.
