Científicos crean un reloj nuclear tan preciso que apenas pierde un segundo en 30 millones de años

Un cristal de torio iluminado por láser permitió a científicos de Viena construir el primer reloj nuclear capaz de autoestabilizarse. El prototipo, desarrollado en la Universidad Técnica de Viena, corrigió por sí solo las leves alteraciones de frecuencia que afectan a los láseres y alcanzó una precisión de alrededor de 10⁻¹⁵.

sa cifra equivale a perder o adelantar cerca de un segundo en 30 millones de años.

El resultado, publicado en la revista Nature, no supera todavía a los relojes atómicos ópticos más precisos del mundo. Sin embargo, representa una demostración técnica que investigadores buscaron durante décadas: utilizar una transición dentro del núcleo atómico como patrón temporal y, además, usar esa referencia para mantener estable el instrumento que mide el tiempo.

La novedad no reside solo en haber empleado torio. El equipo logró cerrar el circuito de control entre el láser y los núcleos: cuando la luz se aleja de la frecuencia exacta, el sistema detecta una menor absorción y modifica el láser para devolverlo al valor adecuado.

De esa forma, el dispositivo deja de depender de un reloj atómico convencional para conservar su ritmo.

Los relojes modernos no cuentan segundos mediante engranajes. Miden oscilaciones periódicas. En un reloj de pulsera, un cristal de cuarzo vibra a un ritmo definido al recibir una corriente eléctrica.

En los instrumentos de mayor precisión, el patrón surge de fenómenos cuánticos: los electrones de un átomo absorben o emiten energía solo en frecuencias específicas. Cada oscilación funciona como una marca extremadamente regular del paso del tiempo.

Los mejores relojes atómicos ópticos aprovechan transiciones electrónicas y emplean átomos enfriados, atrapados o confinados en redes de luz. Su desempeño abrió aplicaciones que van desde la navegación por satélite hasta los sistemas de telecomunicaciones y la comprobación de teorías físicas. El reloj nuclear de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) propone trasladar ese principio hacia una región mucho más pequeña de la materia: el núcleo del átomo.

El torio aporta una transición nuclear accesible con luz láser

Un átomo concentra casi toda su masa en el núcleo, formado por protones y neutrones. Alrededor de ese centro se encuentran los electrones. Las transiciones de energía de los electrones son la base de los relojes atómicos actuales, porque pueden activarse y leerse con láseres. Los núcleos también poseen estados de energía, aunque sus saltos suelen exigir radiación mucho más energética, fuera del alcance de los láseres convencionales.

El isótopo torio-229 constituye una excepción. Sus científicos detectaron dos estados nucleares cuya diferencia energética resulta inusualmente pequeña. Esa cercanía permite que una luz láser desencadene el cambio de un estado a otro. Durante años, la posibilidad permaneció como una hipótesis atractiva para la metrología, la ciencia dedicada a establecer mediciones fiables y comparables.

En abril de 2024, el grupo dirigido por el profesor Thorsten Schumm, del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la TU Wien, y otro encabezado por el profesor Ekkehard Peik, del Instituto Nacional de Metrología de Alemania, PTB Braunschweig, demostraron la excitación de núcleos de torio mediante haces láser. El experimento confirmó que esa transición nuclear podía observarse y controlarse de forma directa.

Meses después, el equipo vienés conectó su dispositivo de excitación a un reloj atómico óptico y utilizó los núcleos como referencia temporal. Aquella prueba confirmó que el torio podía sostener un reloj de alta precisión, pero aún faltaba el elemento central para convertir la demostración en un instrumento autónomo: un mecanismo de corrección propio.

“Lo que realmente se necesita es un reloj nuclear autoestabilizador. La idea básica es sencilla: se tiene un láser y torio. El láser modifica el estado energético de los núcleos de torio, y estos núcleos se utilizan para estabilizar la frecuencia del láser”, sostuvo Schumm.

El corazón del nuevo aparato es un cristal fabricado en Viena que incorpora átomos de torio. El láser incide sobre ese material y busca la frecuencia precisa para que los núcleos absorban luz. En condiciones ideales, la respuesta del torio actúa como una señal de referencia. Cualquier cambio de temperatura, ruido electrónico o variación técnica puede desviar el láser de esa frecuencia.

“La oscilación de esta luz láser se puede utilizar para medir el tiempo, pero la frecuencia del láser puede variar ligeramente de vez en cuando, por ejemplo, debido a fluctuaciones de temperatura. Por lo tanto, para mediciones de alta precisión, se necesita un mecanismo que mantenga la frecuencia del láser exactamente estable, de modo que el reloj siga funcionando con el mismo ritmo”, indicó Schumm.

La respuesta del cristal resuelve ese problema. Cuando el láser coincide con la transición nuclear, los núcleos absorben la luz con máxima eficacia. Si el láser se desvía incluso de manera mínima, la absorción cae de forma medible. El sistema interpreta esa variación como una señal de error y reajusta la frecuencia. Así, el torio funciona como un regulador interno que informa al láser cuál debe ser su ritmo.

Un núcleo menos expuesto a las perturbaciones externas

La relevancia del experimento parte de una propiedad física concreta: el núcleo atómico mide más de 10.000 veces menos que el átomo completo. Su pequeño tamaño lo vuelve menos sensible a campos eléctricos, campos magnéticos, temperatura y otras influencias del entorno que pueden modificar las transiciones de los electrones.

Esa resistencia no elimina todos los desafíos experimentales. El cristal, el láser y los instrumentos de lectura todavía requieren condiciones controladas. Pero ofrece una ventaja de principio: la referencia temporal nuclear debería sufrir menos perturbaciones que una referencia electrónica. En metrología, reducir esas interferencias permite distinguir variaciones más pequeñas y asignar mayor confianza a cada medición.

“La gran ventaja del nuevo reloj nuclear de Viena es que, al utilizar núcleos atómicos en lugar de átomos, se puede lograr, en principio, una precisión mucho mayor”, destacó Thorsten Schumm. La perspectiva no implica que el prototipo ya alcance ese límite, sino que la arquitectura elegida presenta margen para avanzar más allá de las tecnologías actuales.

La prueba de estabilidad se extendió durante más de 24 horas. A lo largo de ese período, el reloj nuclear mantuvo el control automático del láser sin apoyo externo. Las mediciones situaron su precisión cerca de 10⁻¹⁵, una escala que corresponde a un desajuste aproximado de un segundo tras 30 millones de años. El dato ilustra la regularidad del sistema, aunque la comparación temporal no significa que el aparato deba funcionar tres decenas de millones de años para validar su desempeño.

“Aún no alcanza el nivel de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo, pero para un primer prototipo es un resultado fantástico”, concluyó Thorsten Schumm. Los relojes ópticos de referencia mantienen una ventaja considerable, fruto de décadas de desarrollo en control de átomos, estabilidad láser y técnicas de medición.

El nuevo instrumento tampoco redefine por ahora el segundo del Sistema Internacional de Unidades. Esa definición todavía se basa en una transición del átomo de cesio. Los relojes ópticos ya impulsan debates sobre una futura actualización de ese patrón, y los relojes nucleares ingresan ahora en esa carrera desde una plataforma distinta, con una referencia física localizada dentro del núcleo.

El interés científico supera la tarea de marcar horas. Un reloj de precisión extrema permite comparar el ritmo del tiempo en distintos lugares, detectar cambios minúsculos en campos gravitatorios y poner a prueba si ciertas constantes fundamentales de la naturaleza permanecen invariables. También podría contribuir a sensores más sensibles para aplicaciones todavía en desarrollo.

El equipo de Viena buscará mejorar el cristal con torio, aumentar la potencia y el control de los láseres, y reducir las fuentes de incertidumbre que condicionan el prototipo. Cada avance deberá confirmar que la autoestabilización conserva su eficacia en escalas de precisión superiores. El reloj nuclear ya demostró que puede regularse solo; el próximo objetivo será transformar esa prueba en una herramienta capaz de competir con los estándares temporales más exactos.