Medir el tiempo con una precisión extrema sirve para mucho más que para saber qué hora es. El GPS, las telecomunicaciones y numerosos experimentos de física fundamental dependen de relojes capaces de medir el tiempo con una precisión extraordinaria. Cuanto más estable es esta referencia, más pequeñas son las diferencias que podemos detectar. Ahora, dos estudios independientes publicados en Nature han dado un paso decisivo hacia una nueva generación de relojes: los relojes nucleares basados en el torio-229.
Uno de los trabajos ha sido liderado por investigadores de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) y del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Braunschweig, en Alemania, y el otro por un equipo de la Universidad Tsinghua, en China. Ambos equipos han logrado excitar y medir directamente una transición del núcleo del torio-229 con una precisión sin precedentes. El resultado demuestra que esta transición puede convertirse en una referencia para medir el tiempo y podría proporcionar una nueva herramienta para poner a prueba algunas de las leyes más fundamentales de la física.
El "tic-tac" de un átomo
Para entender qué hay de nuevo, hay que empezar por los relojes atómicos, los instrumentos más precisos que tenemos actualmente para medir el tiempo. Su funcionamiento se basa en una propiedad de la mecánica cuántica: los electrones de un átomo solo pueden ocupar determinados niveles de energía. Cuando absorben la cantidad adecuada de energía, pueden pasar de un nivel a otro. Esta transición está asociada a una frecuencia de excitación muy precisa, que se puede utilizar como referencia para medir el tiempo.
Por otro lado, el núcleo del átomo, formado por protones y neutrones, también puede encontrarse en diferentes estados de energía. Un reloj nuclear aprovecha las transiciones entre estos estados en lugar de las de los electrones. La diferencia es pequeña, pero fundamental: en un reloj atómico, la referencia temporal proviene de una transición electrónica; en un reloj nuclear, de una transición dentro del núcleo.
Aquí entra en juego el torio-229. Su núcleo tiene un estado excitado a una energía extraordinariamente baja para una transición nuclear y hace que esta se pueda excitar con luz ultravioleta de vacío. Esto permite utilizar un láser de frecuencia muy precisa para buscar la resonancia con el núcleo. Cuando la frecuencia de la luz coincide con la frecuencia propia de la transición nuclear, el núcleo puede pasar del estado fundamental al estado excitado. Esta frecuencia de resonancia es la que se puede utilizar como referencia para un reloj nuclear.
¿Por qué dar el salto al núcleo?
Los electrones de un átomo se encuentran en la región exterior y sus transiciones pueden verse afectadas por campos eléctricos y magnéticos, la temperatura, las colisiones con otras partículas u otras perturbaciones externas. El núcleo, en cambio, es mucho más pequeño y sus propiedades son, en principio, menos sensibles a muchas de estas perturbaciones. Esto abre la puerta a relojes que podrían ser más estables ante los cambios del entorno y, potencialmente, más compactos y robustos.
Hay que, sin embargo, mantener los pies en el suelo. Los primeros experimentos con la transición nuclear del torio-229 todavía están lejos de superar los mejores relojes ópticos atómicos. Lo que se ha conseguido hasta ahora es, sobre todo, una prueba de principio con un potencial que va más allá de fabricar un reloj más preciso. Estos instrumentos podrían convertirse en una nueva herramienta para poner a prueba algunas de las constantes fundamentales de la naturaleza, pero, los relojes atómicos seguirán siendo imprescindibles.