Dos equipos independientes de investigadores lograron construir los primeros relojes capaces de utilizar directamente el núcleo de un átomo como referencia para medir el tiempo.
El avance representa un paso importante para la metrología y podría conducir a instrumentos más resistentes, compactos y sensibles que los relojes atómicos actuales. También abre una nueva herramienta para estudiar materia oscura, fuerzas fundamentales y posibles cambios en las constantes de la naturaleza.
¿Qué diferencia a un reloj nuclear?
Todos los relojes necesitan un fenómeno que se repita de manera estable. Un reloj de péndulo utiliza su movimiento de un lado a otro, mientras que los relojes atómicos modernos miden la frecuencia exacta de la radiación absorbida cuando los electrones cambian entre niveles de energía.
Los nuevos dispositivos emplean un principio parecido, pero trasladan la referencia al interior del núcleo atómico.
En lugar de medir una transición electrónica, utilizan el cambio entre dos estados energéticos del núcleo del torio-229. Este isótopo tiene una característica excepcional: su transición nuclear requiere mucha menos energía que la de otros elementos y puede activarse con luz láser ultravioleta de aproximadamente 148 nanómetros.
Un desafío de más de dos décadas
Durante años, los científicos conocieron las propiedades especiales del torio-229, pero no contaban con la tecnología necesaria para controlar su transición nuclear con suficiente precisión.
En 2024 se consiguió excitar directamente esta transición dentro de cristales de fluoruro de calcio y medir su frecuencia. Sin embargo, todavía faltaba convertirla en una referencia activa que corrigiera continuamente las desviaciones del láser.
Eso es precisamente lo que lograron ahora ambos equipos.
Los investigadores incorporaron núcleos de torio-229 en pequeños cristales y dirigieron hacia ellos un láser ultravioleta continuo. Cuando la frecuencia coincidía con la transición nuclear, los átomos absorbían parte de la luz. Si el láser comenzaba a desviarse, el sistema detectaba el cambio y ajustaba automáticamente su frecuencia.
Este mecanismo de retroalimentación permitió utilizar la transición nuclear como el “tic” estable del reloj.
Dos equipos, un mismo resultado
El grupo europeo, encabezado por investigadores de la Universidad Técnica de Viena, comparó su reloj nuclear con un reloj óptico basado en un ion de iterbio. El dispositivo funcionó continuamente durante un día y alcanzó una inestabilidad fraccional cercana a 10−15.
Además, el equipo utilizó el instrumento para buscar posibles variaciones asociadas con modelos de materia oscura ultraligera.
Por su parte, el equipo dirigido desde la Universidad de Tsinghua empleó un láser más potente y cristales con una menor concentración de torio. También comprobó que dos cristales fabricados de manera independiente producían frecuencias coincidentes a un nivel de 10−13, una señal importante de reproducibilidad.
¿Ya son mejores que los relojes atómicos?
Todavía no.
Los mejores relojes atómicos ópticos actuales alcanzan una precisión superior a la demostrada por estos primeros prototipos. Sin embargo, el núcleo atómico está mucho mejor protegido de campos eléctricos y otras perturbaciones externas que los electrones.
Esto significa que futuras versiones podrían ser más estables y resistentes, además de permitir la fabricación de relojes sólidos relativamente compactos con enormes cantidades de núcleos trabajando al mismo tiempo.
También podrían utilizarse para estudiar interacciones dentro del núcleo, comprobar si ciertas constantes físicas cambian con el tiempo y buscar señales indirectas de materia oscura.
Los dos estudios todavía deben superar la revisión por pares, pero su coincidencia independiente fortalece el resultado. Más que destronar inmediatamente a los relojes atómicos, el avance inaugura una nueva generación de instrumentos de precisión basados en el núcleo de la materia.
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