¿En qué se diferencian los relojes nucleares y atómicos?

Un reloj capaz de mantener la precisión absoluta durante miles de millones de años está cada vez más cerca de ser una realidad. Un equipo de científicos, liderado por el físico Jun Ye del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Estados Unidos, ha presentado el primer prototipo de un reloj nuclear. Este desarrollo, descrito recientemente en la revista Nature, establece un nuevo estándar en la medición del tiempo, con un nivel de exactitud que supera al de los relojes atómicos.

Mientras los relojes atómicos han sido esenciales para medir el tiempo con precisión extrema al registrar cambios de energía en los electrones, los relojes nucleares van un paso más allá al basarse en las transiciones de energía en el núcleo del átomo. En este tipo de reloj, el núcleo, que contiene protones y neutrones, es la fuente de la señal que se mide. Al no depender de los electrones que orbitan el núcleo, sino de las transiciones energéticas dentro del núcleo mismo, el reloj nuclear logra niveles de precisión y estabilidad sin precedentes, siendo menos susceptible a factores externos como la temperatura o los campos magnéticos.

El desarrollo de un reloj nuclear ultrapreciso representa un avance crucial para la medición del tiempo, un factor fundamental en múltiples áreas de la tecnología y la ciencia. Actualmente, los relojes atómicos permiten sincronizar con exactitud el tiempo en sistemas globales como el GPS, la comunicación entre computadoras y la investigación espacial. Estos dispositivos, al registrar con precisión los cambios energéticos de los electrones en átomos específicos, logran una sincronización hasta el decimosexto dígito de precisión, algo indispensable en una era cada vez más interconectada.

Sin embargo, el reloj nuclear promete llevar esta precisión a niveles aún mayores. Debido a la estabilidad de las transiciones energéticas en el núcleo atómico, los relojes nucleares podrían superar a los atómicos al ser prácticamente insensibles a perturbaciones externas como los cambios de temperatura o los campos magnéticos. Esto los convierte en herramientas especialmente robustas para aplicaciones en condiciones extremas, como el espacio profundo, donde los relojes atómicos tradicionales podrían verse afectados.

Además, esta precisión extrema podría impulsar nuevas investigaciones científicas al permitir mediciones detalladas y constantes en experimentos de larga duración. Según los científicos, un reloj nuclear permitiría registrar hasta los cambios más ínfimos en el tiempo, abriendo posibilidades en áreas de investigación avanzadas y permitiendo una comprensión más profunda de conceptos como la materia oscura y las constantes universales.

Los relojes atómicos son actualmente la base de la medición del tiempo en todo el mundo, y su precisión se debe a la física cuántica. A diferencia de los relojes mecánicos tradicionales, donde un péndulo o un oscilador genera el “tic-tac”, los relojes atómicos registran cambios de energía en los electrones de un átomo, un proceso conocido como salto cuántico. Este salto se da cuando los electrones, al absorber energía de una fuente externa, como un láser, pasan de un estado energético base a uno excitado.

La doctora Ana María Rey, física del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), explica que en estos relojes, el equivalente al “péndulo” es una onda electromagnética de luz producida por un láser. Los electrones en los átomos absorben esta energía solo en ciertas frecuencias específicas. Cuando la frecuencia del láser coincide exactamente con la frecuencia del electrón, este realiza una transición de energía que se puede contar como una marca de tiempo precisa. Este proceso permite determinar el tiempo de forma universal, siendo el pilar de la sincronización global.

La precisión de los relojes atómicos es tan alta que permiten la sincronización de sistemas como el GPS, que utiliza la hora exacta registrada por relojes atómicos en satélites para determinar la posición geográfica con una precisión de centímetros. Gracias a estos relojes, dispositivos en todo el mundo, como celulares y computadoras, mantienen una sincronización exacta. Además, el tiempo medido por los relojes atómicos es clave para establecer otras unidades de medida, como la distancia, que depende de la velocidad de la luz, fijada en función del tiempo.

A diferencia de los relojes atómicos, que miden el tiempo a partir de transiciones en los electrones de un átomo, los relojes nucleares registran las transiciones de energía que ocurren dentro del núcleo del átomo. Este núcleo, compuesto por protones y neutrones, puede excitarse y cambiar de estado energético bajo condiciones específicas. Para los científicos, el desafío ha sido encontrar un tipo de átomo en el cual estas transiciones puedan ocurrir sin requerir energías extremadamente altas, propias de las fuerzas nucleares.

Los investigadores encontraron una solución en el torio-229, un isótopo cuya energía de excitación es significativamente menor en comparación con otros núcleos atómicos, facilitando su estudio. En el caso del reloj nuclear, un láser ultrapreciso emite un rango limitado de frecuencias para alcanzar el nivel exacto que provoca la transición energética en el núcleo del torio. Esta transición, que es mil veces más pequeña que las transiciones electrónicas utilizadas en los relojes atómicos, permite una medición del tiempo con una precisión inigualable.

Una de las ventajas principales de los relojes nucleares es su resistencia a las perturbaciones externas. Debido a que el núcleo atómico es mucho más compacto y las fuerzas nucleares que lo mantienen unido son más intensas, el reloj nuclear es menos sensible a factores externos, como variaciones de temperatura o campos magnéticos. Esto lo hace ideal para condiciones extremas, donde la estabilidad es crucial para obtener una medición precisa del tiempo. Además, el reloj nuclear puede integrarse en materiales portátiles, como cristales, manteniendo su rendimiento estable y sin degradación, lo que abre la puerta a su uso en tecnologías avanzadas.

Lograr un reloj nuclear ha sido una meta que la comunidad científica ha perseguido durante décadas. Si bien la posibilidad de utilizar el núcleo de un átomo para medir el tiempo se propuso en los años setenta, encontrar la frecuencia exacta de la transición en el núcleo de torio resultó ser una tarea monumental, descrita por los científicos como “buscar una aguja en un pajar”. Sin embargo, un reciente estudio publicado en Nature muestra que este obstáculo ha sido superado: este equipo internacional de investigadores logró la medición de esta transición mediante un láser ultravioleta especialmente diseñado para tal fin.

Este láser, que emite en un rango de frecuencias extremadamente preciso, fue clave para inducir el cambio de estado en los núcleos de torio-229 insertados en un cristal sólido, permitiendo por primera vez una transición cuántica en el núcleo que puede ser usada como referencia temporal. Thorsten Schumm, científico de la Universidad Tecnológica de Viena y coautor del estudio, considera que los avances logrados acelerarán el desarrollo de relojes nucleares en los próximos años, anticipando mejoras significativas en la tecnología de láseres de precisión y previendo un progreso constante.

Con este primer prototipo de reloj nuclear, los científicos han demostrado que el torio puede actuar como cronómetro para mediciones de alta precisión. Según Schumm, los próximos pasos consisten en perfeccionar la tecnología de los láseres necesarios, un proceso que podría llevar menos de cinco años para alcanzar una versión funcional del reloj nuclear. Este avance sienta las bases para el uso de relojes nucleares en una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas de sincronización ultraprecisos hasta el estudio de fenómenos físicos fundamentales.

El desarrollo de los relojes nucleares promete abrir una puerta hacia nuevos descubrimientos en física y astronomía. Gracias a su precisión y estabilidad sin precedentes, estos dispositivos serán herramientas únicas para estudiar algunas de las incógnitas más profundas del universo. Uno de los aspectos más relevantes de estos relojes es su capacidad para actuar como sensores extremadamente sensibles a las fuerzas fundamentales de la naturaleza que operan en el núcleo atómico, tales como las fuerzas nucleares fuertes y débiles, así como las fuerzas electromagnéticas. Esto permitiría investigar fenómenos que hasta ahora han sido inaccesibles o difíciles de medir.

Un área de especial interés para los científicos es el estudio de la materia oscura, que constituye más del 80% de la masa total del universo y cuyo origen aún es desconocido. A diferencia de los relojes atómicos, los relojes nucleares son más sensibles a ciertas interacciones de energía dentro del núcleo, lo que podría revelar pistas sobre la naturaleza de esta materia invisible y elusiva. Según Rey, la sensibilidad de los relojes nucleares podría ayudar a descifrar algunos de los misterios más grandes del cosmos, ofreciendo una perspectiva completamente nueva que los relojes atómicos no pueden proporcionar.

Otra aplicación significativa es la posibilidad de comparar los relojes nucleares con los atómicos para estudiar si las constantes de la naturaleza —como la velocidad de la luz o la constante de Planck— realmente permanecen invariables en diferentes momentos y lugares del universo. Esto se traduciría en un avance crucial para la física fundamental, ya que cualquier cambio en estas constantes implicaría la necesidad de replantear las bases mismas de la física moderna.

La capacidad de los relojes nucleares para medir el tiempo con una precisión tan alta también sería valiosa para futuras misiones espaciales, donde las condiciones extremas y la necesidad de sincronización exacta son cruciales para la exploración interestelar y la navegación en el espacio profundo. Estos relojes serían capaces de soportar las perturbaciones externas y proporcionar datos de tiempo constantes y exactos en entornos que desafían a los instrumentos actuales.

La investigación en relojes nucleares no solo refleja un avance en la física teórica, sino que es fruto de la dedicación de destacados científicos como Jun Ye, Ana María Rey y Thorsten Schumm. Cada uno de ellos ha aportado su experiencia en física cuántica, óptica y tecnología de láseres para lograr un prototipo funcional de reloj nuclear. Estos expertos no solo comparten una visión científica, sino también el entusiasmo por explorar las capacidades de la física para revolucionar nuestra comprensión del universo.

Jun Ye lidera este esfuerzo internacional. Bajo su dirección, el equipo alcanzó una precisión sin precedentes al inducir transiciones en el núcleo de torio, resultado de décadas de investigaciones en tecnología de láseres de alta precisión. Para Ye, el reloj nuclear podría abrir posibilidades que antes eran teóricas, integrando los conocimientos de física cuántica en aplicaciones tangibles.

Rey destaca que los relojes nucleares podrían “abrir una ventana” hacia aspectos del universo que hoy desconocemos, permitiendo observaciones detalladas sobre fenómenos como la materia oscura y las constantes de la naturaleza. Además, enfatiza el papel de la física teórica en la construcción de modelos y predicciones que guían los experimentos, conectando las teorías matemáticas con resultados palpables en los laboratorios.

Schumm describe el logro de alcanzar la frecuencia de transición en el núcleo de torio como un momento “asombroso” en su carrera y confía en que el reloj nuclear será una realidad en los próximos años. Schumm subraya que la estabilidad del reloj nuclear permitirá superar muchas de las limitaciones actuales de la tecnología de medición de tiempo, especialmente en campos como la astronomía y las comunicaciones.

Las contribuciones de estos científicos ejemplifican cómo la física cuántica y la tecnología de relojes ultraprecisos transforman no solo la teoría, sino la tecnología cotidiana. La precisión en la medición del tiempo, que hoy es clave en sistemas como el GPS, es resultado directo de décadas de avances en relojes atómicos y, en un futuro, los relojes nucleares podrían impulsar nuevos desarrollos en áreas como las comunicaciones, la navegación espacial y la física fundamental.