El primer reloj nuclear independiente ya está en marcha en Viena

La Universidad Tecnológica de Viena (Austria) alberga el primer prototipo mundial de una nueva tecnología de cronometraje que se espera que establezca importantes récords de precisión, según se publica en Nature.

Durante décadas, investigadores de todo el mundo han trabajado para alcanzar este objetivo, pero es ahora cuando se están produciendo avances importantes en rápida sucesión. De esta forma, Viena alberga el primer reloj nuclear del mundo que se autoestabiliza, como es habitual en los relojes atómicos. Se ha demostrado que este sistema se mantiene estable durante más de 24 horas sin intervención.

Esta tecnología tiene el potencial de superar significativamente la precisión de los relojes atómicos anteriores. Representa un paso importante hacia un nuevo tipo de metrología de alto rendimiento, que permitirá medir diversas magnitudes físicas con una precisión hasta ahora inalcanzable.

Durante décadas, se sospechó que los núcleos atómicos de torio poseen una propiedad muy especial que los convierte en una herramienta ideal para mediciones extremadamente precisas: tienen dos estados de energía distintos cuyas energías son muy similares. Debido a que la diferencia de energía entre estos dos estados es excepcionalmente pequeña, es posible utilizar un láser para «conmutar» deliberadamente el núcleo atómico de un estado a otro. En otros núcleos atómicos, las diferencias de energía son mucho mayores, por lo que no responden a la luz láser.

En abril de 2024, el equipo liderado por el profesor Thorsten Schumm en el Instituto de Física Atómica y Subatómica de la Universidad Técnica de Viena, junto con el equipo liderado por el profesor Ekkehard Peik en el PTB Braunschweig de Alemania, logró por primera vez descubrir esta transición nuclear largamente sospechada: demostraron que los núcleos de torio pueden excitarse con haces láser. En otoño del mismo año, el equipo demostró que esto puede utilizarse para construir un reloj de alta precisión: el aparato de excitación de núcleos de torio se acopló a un reloj atómico óptico convencional, y los núcleos de torio se utilizaron como cronómetro.

En rigor, sin embargo, este aún no era el tipo de reloj nuclear que podía utilizarse para establecer récords de precisión. «Lo que realmente se necesita es un reloj nuclear autoestabilizador», explica el profesor Thorsten Schumm. «La idea básica es sencilla: se tiene un láser y torio. El láser modifica el estado energético de los núcleos de torio, y estos núcleos se utilizan para estabilizar la frecuencia del láser».

El corazón del reloj nuclear es un cristal que contiene átomos de torio, producido en la Universidad Técnica de Viena (TU Wien). Este cristal se irradia con un láser. «La oscilación de esta luz láser se puede utilizar para medir el tiempo, pero la frecuencia del láser puede variar ligeramente de vez en cuando, por ejemplo, debido a fluctuaciones de temperatura», explica Thorsten Schumm. «Por lo tanto, para mediciones de alta precisión, se necesita un mecanismo que mantenga la frecuencia del láser exactamente estable, de modo que el reloj siga funcionando con el mismo ritmo».

En los relojes atómicos convencionales, se utilizan átomos y los estados energéticos de sus electrones para este fin; el equipo de Thorsten Schumm ahora emplea núcleos de torio. Estos núcleos de torio absorben la luz láser, pero solo cuando la frecuencia del láser es la precisa. Si la frecuencia se desvía, aunque sea ligeramente, del valor óptimo, la absorción disminuye notablemente. En ese caso, la frecuencia del láser se reajusta automáticamente y el reloj continúa funcionando con precisión. Esto ha dado como resultado el primer reloj nuclear autorregulable, sin necesidad de depender de un reloj atómico convencional.

«Para un primer prototipo es un resultado fantástico»

«La gran ventaja del nuevo reloj nuclear de Viena es que, al utilizar núcleos atómicos en lugar de átomos, se puede lograr, en principio, una precisión mucho mayor», destaca Thorsten Schumm. Los núcleos atómicos son más de diez mil veces más pequeños que los átomos; reaccionan mucho menos a las perturbaciones externas y, por lo tanto, son indicadores de tiempo mucho más fiables.

La precisión del nuevo reloj nuclear se investigó durante un día y es de aproximadamente 10 elevado a la potencia de menos 15, lo que corresponde a un error de aproximadamente un segundo cada 30 millones de años. «Aún no alcanza el nivel de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo, pero para un primer prototipo es un resultado fantástico», destaca Thorsten Schumm. La precisión se mejorará drásticamente mediante diversas medidas, como láseres más potentes y mejores cristales de torio.