✨︎ Resumen (TL;DR):
- Dos grupos independientes de Austria y China logran el primer funcionamiento real de relojes basados en núcleos de torio-229.
- Estos dispositivos alcanzan una estabilidad fraccional de hasta 10⁻¹⁵ operando de forma continua a temperatura ambiente.
- La tecnología permite explorar la materia oscura y verificar si las constantes físicas universales cambian con el tiempo.
Un grupo de científicos en Europa y otro en China fabricaron de forma independiente los primeros relojes nucleares funcionales de la historia. Al medir las oscilaciones dentro del núcleo atómico en vez de los electrones externos, abren una nueva era en la medición del tiempo que supera las limitaciones de temperatura y vacío de los sistemas tradicionales.
Un reloj nuclear es un dispositivo de medición temporal que registra las oscilaciones internas de un núcleo atómico en lugar de medir los electrones externos.
Tras más de dos décadas de investigación, el equipo europeo, liderado por el físico Thorsten Schumm en la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien), y el equipo chino de la Universidad de Tsinghua, dirigido por Shiqian Ding y Beichen Huang, presentaron sus prototipos en prepublicaciones científicas de arXiv.
Ambos grupos estabilizaron un láser ultravioleta de vacío en la transición de 148 nanómetros de núcleos de torio-229 incrustados en cristales de fluoruro de calcio. Al implementar bucles de retroalimentación para ajustar la frecuencia del láser, convirtieron la espectroscopía experimental en un instrumento de medición de tiempo real.
“Este era el último paso que faltaba antes de poder llamarlo un reloj real”, explicó Lars von der Wense, físico de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, quien no participó en los proyectos.
Un salto en la precisión cuántica y ambiental
El núcleo atómico es unas 10,000 veces más pequeño que la nube de electrones externa. Esta dimensión compacta hace que el sistema sea inmune al ruido ambiental, campos eléctricos y fluctuaciones de temperatura.
El desarrollo de la Universidad de Tsinghua registró una inestabilidad de frecuencia de 2 × 10⁻¹² por raíz cuadrada del tiempo promedio en segundos, logrando 2 × 10⁻¹⁴ en fases de operación extendidas. Por su parte, la Universidad de Viena reportó una inestabilidad de 3 × 10⁻¹², alcanzando 10⁻¹⁵ durante un día completo de operación continua y autónoma.
“Lo que más me impresionó fue que el sistema funcionó de manera continua durante 24 horas sin intervención del usuario”, comentó Ekkehard Peik, especialista del instituto nacional de metrología de Alemania (PTB) y coautor del reporte europeo.
Ambos sistemas operan a temperatura ambiente, eliminando los costosos y gigantescos sistemas de enfriamiento extremo o vacío que exigen los relojes atómicos actuales.
Explorando la materia oscura
El equipo de Viena usó de inmediato su prototipo para buscar materia oscura ultraligera. Los primeros resultados superan la capacidad de los relojes atómicos para determinar cómo la materia oscura interactúa con los quarks y la fuerza nuclear fuerte.
Esto ocurre porque la transición nuclear del torio-229 es miles de veces más sensible a las variaciones de la constante de estructura fina que las transiciones electrónicas convencionales.
Aunque estos dispositivos todavía no igualan la precisión extrema de los mejores relojes atómicos ópticos, los cuales tienen un margen de incertidumbre menor a 10⁻¹⁸, el avance ha sido veloz. En 2024, el equipo de Viena localizó por primera vez la resonancia del torio; apenas dos años después, la tecnología ya funciona de forma autónoma. El desarrollo promete llevar mediciones de precisión ultraalta a laboratorios comunes sin requerir infraestructura masiva de refrigeración.
