Mesurar el temps amb una precisió extrema serveix per a molt més que per saber quina hora és. El GPS, les telecomunicacions i nombrosos experiments de física fonamental depenen de rellotges capaços de mesurar el temps amb una precisió extraordinària. Com més estable és aquesta referència, més petites són les diferències que podem detectar. Ara, dos estudis independents publicats a Nature han fet un pas decisiu cap a una nova generació de rellotges: els rellotges nuclears basats en el tori-229.
Un dels treballs ha estat liderat per investigadors de la Universitat Tècnica de Viena (TU Wien) i del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Braunschweig, a Alemanya, i l’altre per un equip de la Universitat Tsinghua, a la Xina. Els dos equips han aconseguit excitar i mesurar directament una transició del nucli del tori-229 amb una precisió sense precedents. El resultat demostra que aquesta transició pot convertir-se en una referència per mesurar el temps i podria proporcionar una nova eina per posar a prova algunes de les lleis més fonamentals de la física.
El "tic-tac" d'un àtom
Per entendre què hi ha de nou, cal començar pels rellotges atòmics, els instruments més precisos que tenim actualment per mesurar el temps. El seu funcionament es basa en una propietat de la mecànica quàntica: els electrons d’un àtom només poden ocupar determinats nivells d’energia. Quan absorbeixen la quantitat adequada d’energia, poden passar d’un nivell a un altre. Aquesta transició està associada a una freqüència d'excitació molt precisa, que es pot utilitzar com a referència per mesurar el temps.
D'altra banda, el nucli de l’àtom, format per protons i neutrons, també pot trobar-se en diferents estats d’energia. Un rellotge nuclear aprofita les transicions entre aquests estats en lloc de les dels electrons. La diferència és petita, però fonamental: en un rellotge atòmic, la referència temporal prové d’una transició electrònica; en un rellotge nuclear, d’una transició dins del nucli.
Aquí entra en joc el tori-229. El seu nucli té un estat excitat a una energia extraordinàriament baixa per a una transició nuclear i fa que aquesta es pugui excitar amb llum ultraviolada de buit. Això permet utilitzar un làser de freqüència molt precisa per buscar la ressonància amb el nucli. Quan la freqüència de la llum coincideix amb la freqüència pròpia de la transició nuclear, el nucli pot passar de l’estat fonamental a l’estat excitat. Aquesta freqüència de ressonància és la que es pot utilitzar com a referència per a un rellotge nuclear.
Per què fer el salt al nucli?
Els electrons d’un àtom es troben a la regió exterior i les seves transicions poden veure’s afectades per camps elèctrics i magnètics, la temperatura, les col·lisions amb altres partícules o altres pertorbacions externes. El nucli, en canvi, és molt més petit i les seves propietats són, en principi, menys sensibles a moltes d’aquestes pertorbacions. Això obre la porta a rellotges que podrien ser més estables davant dels canvis de l’entorn i, potencialment, més compactes i robustos.
Cal, però, mantenir els peus a terra. Els primers experiments amb la transició nuclear del tori-229 encara estan lluny de superar els millors rellotges òptics atòmics. El que s’ha aconseguit fins ara és, sobretot, una prova de principi amb un potencial que va més enllà de fabricar un rellotge més precís. Aquests instruments podrien convertir-se en una nova eina per posar a prova algunes de les constants fonamentals de la natura, però, els rellotges atòmics continuaran sent imprescindibles.