Equipo de Viena construye el primer reloj nuclear autoestabilizador del mundo

Científicos en Viena han construido el primer reloj nuclear autoestabilizador del mundo, un dispositivo que utiliza los núcleos de átomos de torio para medir el tiempo. A diferencia de los prototipos anteriores que dependían de relojes atómicos convencionales para la estabilidad, este nuevo sistema mantiene su propia precisión mediante un bucle de retroalimentación automático. El logro, publicado en la revista Nature, marca un paso significativo en la metrología de precisión, aunque el reloj aún no supera el rendimiento de los relojes atómicos ópticos líderes en el mundo.

Cómo funciona el reloj nuclear

Los relojes atómicos tradicionales miden el tiempo rastreando las transiciones de energía en las capas electrónicas de los átomos. Estos electrones son sensibles a perturbaciones externas, como cambios de temperatura o colisiones, lo que puede alterar el ritmo del reloj. El equipo de Viena, dirigido por el Prof. Thorsten Schumm en la TU Wien y el Prof. Ekkehard Peik en la PTB Braunschweig, utilizó en su lugar el núcleo del isótopo torio-229.

Los núcleos atómicos son más de 10.000 veces más pequeños que los átomos, lo que los hace mucho menos susceptibles a interferencias ambientales. El torio-229 es único porque dos de sus estados de energía nuclear están separados por una brecha de energía inusualmente pequeña. Esto permite a los investigadores desencadenar una transición entre estos estados utilizando luz láser, una hazaña que se demostró experimentalmente por primera vez en abril de 2024.

El nuevo reloj funciona haciendo incidir un láser sobre un cristal que contiene átomos de torio. La frecuencia del láser se sintoniza para coincidir con la resonancia específica de los núcleos de torio. Si la frecuencia del láser deriva debido a factores ambientales, la cantidad de luz absorbida por los núcleos disminuye. El sistema detecta este cambio y ajusta automáticamente el láser de vuelta a la frecuencia correcta. "Lo que realmente se desea es un reloj nuclear autoestabilizador", dijo el Prof. Thorsten Schumm. "La idea básica es simple: tienes un láser y tienes torio. El láser cambia el estado de energía de los núcleos de torio, y los núcleos de torio se utilizan para estabilizar la frecuencia del láser."

Rendimiento y precisión

Los investigadores demostraron que el reloj podía operar de manera estable durante más de 24 horas sin intervención externa. Durante este período, el dispositivo alcanzó una precisión relativa de aproximadamente 10 a la potencia de menos 15. Este nivel de precisión equivale a un error de aproximadamente un segundo cada 30 millones de años.

Aunque este es un resultado notable para un primer prototipo, el reloj aún no es tan preciso como los mejores relojes atómicos ópticos actualmente en uso. "Esto aún no está al nivel de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo, pero para un primer prototipo es un resultado fantástico", dijo Schumm. El equipo identificó que la reproducibilidad de la frecuencia estaba limitada a aproximadamente 5 × 10⁻¹³ entre diferentes ejecuciones, probablemente debido a tensiones locales en la estructura del cristal. Se espera que las futuras mejoras en la potencia del láser y la calidad del cristal aumenten la estabilidad.

Implicaciones para la ciencia y la tecnología

El desarrollo de un reloj nuclear autoestabilizador tiene implicaciones más allá de la medición del tiempo. Una medición del tiempo más precisa puede mejorar la precisión de otras cantidades físicas, ofreciendo a los científicos nuevas herramientas para investigar las leyes fundamentales de la naturaleza. La tecnología también podría apoyar aplicaciones en navegación por satélite, telecomunicaciones y sistemas financieros, que dependen de una sincronización precisa.

Además, el reloj proporciona un nuevo método para probar hipótesis en física fundamental. En un estudio complementario, los investigadores utilizaron el reloj para buscar efectos predichos por modelos de materia oscura ultraligera. Aunque no se encontró ninguna señal significativa, el experimento estableció límites superiores sobre posibles interacciones, demostrando el potencial del reloj como un detector sensible para fenómenos físicos desconocidos.

Por qué importa

Este avance valida un concepto de décadas de antigüedad en física: que los núcleos atómicos pueden servir como referencias estables para la medición del tiempo. Al desacoplar la estabilidad del reloj de los relojes atómicos externos, el equipo de Viena ha creado un sistema autosostenible que es más robusto frente al ruido ambiental. A medida que la tecnología madure, los relojes nucleares podrían eventualmente redefinir el estándar para medir el tiempo, ofreciendo una precisión sin precedentes para la investigación científica y la infraestructura global.

Fuentes (en inglés)

• sciencedaily.com: Scientists build a nuclear clock that could make atomic clocks obsolete | ScienceDaily
• thebrighterside.news: Scientists demonstrate sustained operation of the world's first self-regulating nuclear clock - The Brighter Side of News
• thenakedscientists.com: World’s first stand-alone nuclear clock | Interviews
• voi.id: Chinese Scientists Develop Nuclear Clock, Time Accuracy Potentially Overtakes Atomic Clock
• chitraltoday.net: Scientists Develop First Nuclear Clocks - Chitral Today
• timesofindia.indiatimes.com: For decades, scientists used Atomic clocks but world’s first stand-alone nuclear clock may change we measure almost everything - The Times of India

Traducción con IA del artículo original en inglés, revisada automáticamente para que diga lo mismo que el original. Las fuentes fueron verificadas en inglés.