De repente todo está sucediendo muy rápido. En abril de este año un grupo de científicos dirigido por Thorsten Schumm, profesor de la Universidad Técnica de Viena (Austria) consiguió, por primera vez, que un núcleo atómico pasara de un estado a otro mediante un láser, un efecto que puede utilizarse para realizar mediciones de alta precisión. Y este miércoles un artículo publicado en la revista científica Nature relata cómo esta transición del torio se ha aplicado con éxito en la práctica.

Y es que la institución austriaca, en colaboración con la Universidad de Colorado en Boulder (EEUU), ha logrado combinar un reloj atómico óptico de alta precisión con un sistema láser de alta energía, y lo han acoplado con éxito a un cristal que contiene núcleos atómicos de torio. Es decir, han demostrado que los núcleos atómicos de torio pueden utilizarse ahora como dispositivo de medición del tiempo y han creado el "primer reloj nuclear del mundo".

Según explican los propios investigador, el instrumento aún no ofrece una precisión mayor que la de un reloj atómico convencional, pero ese no era el objetivo de este primer paso. "Con este primer prototipo hemos demostrado que el torio se puede utilizar como cronómetro para mediciones de altísima precisión. Ahora solo queda realizar un trabajo de desarrollo técnico, por lo que no se esperan mayores obstáculos", desliza Thorsten Schumm.

Posibles utilidades

Los relojes nucleares podría revolucionar el modo en que medimos el tiempo y analizamos la física fundamental. "Imaginemos un reloj de pulsera que no se desfasara ni un segundo aunque lo dejáramos funcionando durante miles de millones de años", afirmó Jun Ye, físico de la Universidad de Colorado. "Aunque todavía no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión", añadió.

Para el público en general, este avance podría significar en última instancia sistemas de navegación aún más precisos (con o sin GPS), velocidades de Internet más rápidas, conexiones de red más confiables y comunicaciones digitales más seguras.  

Más allá de la tecnología cotidiana, los relojes nucleares podrían mejorar las pruebas de las teorías fundamentales sobre el funcionamiento del universo, lo que podría conducir a nuevos descubrimientos en física. Y podrían ayudar a detectar la materia oscura o verificar si las constantes de la naturaleza son realmente constantes, lo que permitiría verificar las teorías de la física de partículas sin necesidad de instalaciones de aceleradores de partículas a gran escala. 

Un rayo láser como cronómetro

Todo reloj necesita un cronómetro, por ejemplo, el movimiento regular de oscilación del péndulo en un reloj de péndulo. En la actualidad, los relojes de alta precisión utilizan para ello la oscilación de ondas electromagnéticas; las oscilaciones de un rayo láser se cuentan para medir intervalos de tiempo. Sin embargo, la frecuencia de un láser puede variar ligeramente con el tiempo, por lo que es necesario reajustarla.

"Por eso, además del láser, se necesita un sistema cuántico que reaccione de forma extremadamente selectiva a una frecuencia láser muy específica", detalla Thorsten. Podría tratarse, por ejemplo, de átomos de cesio o de estroncio. Cuando se les aplica una luz láser de una frecuencia muy específica, los electrones de estos átomos cambian entre dos estados cuánticos y esto se puede medir. Si la frecuencia del láser cambia, ya no coincide exactamente con la frecuencia natural de los átomos y estos ya no se excitan con la misma eficacia. En ese caso, es necesario reajustar el láser. Pero esta nueva técnica permite mantener la frecuencia del láser extremadamente estable, algo que supone "el principio básico de un reloj atómico".

Desde hace décadas existe una idea fascinante: si este truco se pudiera realizar no con un átomo, sino con un núcleo atómico, sería posible lograr una precisión aún mayor. Los núcleos atómicos son mucho más pequeños que los átomos y reaccionan con mucha menos fuerza a las perturbaciones, como los campos electromagnéticos del exterior. El único problema era que, para cambiar los núcleos atómicos de un estado a otro, normalmente se necesita al menos mil veces más energía que la que tienen los fotones de un láser.

La única excepción conocida es el torio: "Los núcleos de torio tienen dos estados de energía muy similares, por lo que se pueden cambiar con láseres", comenta Schumm. "Pero para que esto funcione, hay que conocer con mucha precisión la diferencia de energía entre estos dos estados. Durante muchos años, equipos de investigación de todo el mundo han buscado el valor exacto de esta diferencia de energía para poder cambiar los núcleos de torio de forma específica. Nosotros fuimos los primeros en lograrlo, y ese fue el resultado que publicamos en abril", añade.

Trucos físicos

Para acoplar con éxito los núcleos atómicos de torio se han necesitado algunos trucos físicos: "El reloj atómico funciona con luz láser en el rango infrarrojo, que se utiliza para excitar los átomos de estroncio. Sin embargo, nuestros núcleos atómicos de torio necesitan radiación en el rango ultravioleta. Por lo tanto, necesitábamos un modo de convertir las frecuencias infrarrojas en frecuencias ultravioleta, de forma similar a una transmisión mecánica que convierte una frecuencia de rotación lenta en una rotación más rápida mediante engranajes adecuados", ilustra.

Para ello se utilizaron pulsos láser infrarrojos ultracortos compuestos por una serie de frecuencias infrarrojas diferentes. La distancia entre dos frecuencias vecinas es siempre la misma, como la distancia entre los dientes de un peine, por lo que también se denomina "peine de frecuencias". Este peine de frecuencias de luz infrarroja incide sobre un gas xenón, y los átomos de xenón reaccionan a la luz infrarroja produciendo luz ultravioleta de una forma muy predecible y precisa. A continuación, esta luz ultravioleta se envía a un diminuto cristal que contiene núcleos de torio. "Este cristal es el elemento central del experimento. Se fabricó en la Universidad Técnica de Viena y se necesitaron varios años de trabajo de desarrollo para desarrollar los conocimientos necesarios", informa Schumm.

El reto de la precisión

Esto también ha permitido medir la energía de los estados del torio con una precisión extrema, órdenes de magnitud superiores a las que se habían obtenido hasta ahora. "Cuando excitamos la transición por primera vez, pudimos determinar la frecuencia con una precisión de unos pocos gigahercios, lo que ya era más de mil veces mejor que todo lo conocido hasta ahora. Sin embargo, ahora tenemos una precisión en el rango de los kilohercios, lo que a su vez es un millón de veces mejor. De esta manera, esperamos superar a los mejores relojes atómicos en dos o tres años", relata Schumm.

Esta tecnología no sólo permitirá realizar mediciones del tiempo con mucha más precisión que los relojes anteriores, sino que también permitirá medir con mayor precisión otras magnitudes físicas en el futuro. En muchos campos de investigación, desde la geología hasta la astrofísica, la tecnología del torio podría aportar importantes avances. Esta precisión extrema podría utilizarse ahora, por ejemplo, para estudiar las leyes fundamentales de la naturaleza e investigar si las constantes de la naturaleza quizás no sean del todo constantes, sino que posiblemente cambien en el espacio y el tiempo.

Ahora queda mejorar la precisión del instrumento. "Nuestro objetivo era desarrollar una nueva tecnología. Una vez que está ahí, el aumento de la calidad se produce de forma natural, eso siempre ha sido así. Los primeros coches no eran más rápidos que los carruajes. Se trataba de introducir un nuevo concepto. Y eso es exactamente lo que hemos conseguido ahora con el reloj nuclear", zanja Schumm.