Por qué los científicos trabajan en un reloj nuclear ultrapreciso (y en qué se diferencia del atómico)

"Imagina un reloj de pulsera que no perdería ni un segundo incluso si lo dejaras funcionando durante miles de millones de años".

"Aunque aún no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión".

El físico Jun Ye es investigador del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos y profesor de la Universidad de Colorado en Boulder.

Y el reloj al que se refiere es un reloj nuclear.

En un reciente estudio que fue tapa de la revista Nature, Ye y un equipo internacional de científicos describen el primer prototipo de ese tipo de reloj y demuestran que todos los componentes que necesita ya son una realidad.

Actualmente el estándar utilizado a nivel mundial para medir el tiempo son los relojes atómicos.

Los relojes nucleares no solo serían aún más precisos que los atómicos, sino que ayudarán a los científicos a explorar grandes misterios del universo como la materia oscura.

Llegar a este punto en el desarrollo de un reloj nuclear ha llevado décadas. ¿Por qué es tan importante el avance descrito en la revista Nature? ¿Y cuál es la diferencia entre un reloj atómico y un reloj nuclear?

Qué es un reloj atómico y cómo influye en tu día a día

Los relojes atómicos registran señales de electrones que cambian su estado de energía, lo que se conoce como un “salto cuántico”.

“Cualquier reloj tiene dos componentes: algo que hace de tic tac, como el péndulo, y algo que cuenta esas oscilaciones”, explica a BBC Mundo la científica colombiana Ana María Rey, física teórica atómica del NIST, profesora de la Universidad de Colorado en Boulder y experta en relojes atómicos.

“En un reloj normal de péndulo, uno ve que el reloj tiene el péndulo y un mecanismo que mueve el péndulo y nos informa cuántas veces se ha movido”.

En el caso del reloj atómico, agrega Rey, lo que oscila (el equivalente al péndulo) es una onda electromagnética de luz que, típicamente, en los relojes atómicos ópticos es un láser, y lo que cuenta las oscilaciones son los electrones de los átomos.

“Las oscilaciones en un reloj atómico pueden ser tan rápidas que ni siquiera los aparatos electrónicos normales las pueden medir”.

“Pero los electrones, por el contrario, como absorben energía a solamente ciertas frecuencias, son los que nos permiten determinar cuándo la frecuencia del láser es exactamente la frecuencia del electrón, porque cuando eso pasa el electrón hace una transición del nivel base al nivel excitado”.

“Y como el láser tiene cierto número de oscilaciones en cierto tiempo, eso nos permite determinar una manera universal, una medida del tiempo.”

Es gracias a los relojes atómicos que actualmente se sincroniza a lo largo del planeta con precisión de hasta al menos el decimosexto dígito el tiempo en computadoras, celulares y muchas otras tecnologías como la investigación espacial.

“En general, todas las medidas que tenemos dependen de la medida del tiempo. Por ejemplo, la medida de distancia se basa en que sabemos la velocidad de la luz.”

Los relojes atómicos están “en todo”, señala Rey.

“Por ejemplo en los satélites que controlan los GPS. Cuando nosotros miramos nuestros GPS y pedimos instrucciones de cómo ir de un sitio a otro dependemos de los relojes atómicos que están en esos satélites”.

Cómo funciona un reloj nuclear

En el caso del reloj nuclear no se utilizan señales de electrones, sino del núcleo de un átomo.

“Como hemos dicho, el reloj atómico excita los electrones del átomo. Sin embargo, el átomo no solamente tiene electrones, también tiene el núcleo que está formado por protones y neutrones, y esos estados del núcleo también se pueden excitar”, explica Rey.

“El problema es que esas excitaciones requieren una energía muy alta, pero se ha descubierto cierta clase de átomos, el torio, donde la energía para excitar es mucho más baja que las energías estándares que se encuentran en el núcleo”.

El núcleo solo absorbe energía de un láser en un rango de frecuencias muy pequeño. Y encontrar la frecuencia exacta de ese láser ultrapreciso para generar la transición en el núcleo ha sido un esfuerzo de décadas.

Rey señala que a pesar de que esa transición se había predecido en la década de los 70 no se había hallado porque era como “encontrar una aguja en un pajar”.

Lo que lograron ahora los científicos del estudio en la revista Nature fue utilizar un láser ultravioleta especialmente diseñado para medir con precisión la frecuencia de un salto de energía en núcleos de torio incrustados en un cristal sólido.

“El reloj nuclear utiliza un salto cuántico dentro del núcleo atómico, que es incluso un factor 1000 más pequeño que el átomo mismo. Nuestro trabajo demostró por primera vez que esto es posible. En este caso es un neutrón que salta a un estado energético diferente”, explica a BBC Mundo el científico alemán Thorsten Schumm, investigador de la Universidad Tecnológica de Viena y otro de los autores del estudio.

Schumm cree que el reloj nuclear será una realidad en un futuro cercano.

“Creo que a partir de ahora las cosas avanzarán muy rápido. Ya en un año hemos visto un progreso increíble y puedo prometer más cosas maravillosas próximamente”.

“Lo que más se necesita es un desarrollo en el lado de los láseres… Yo diría que no llevará más de cinco años”.

“Con este primer prototipo hemos demostrado que el torio puede utilizarse como cronómetro para mediciones de muy alta precisión. Solo queda el trabajo de desarrollo técnico, sin que quepa esperar obstáculos importantes”.

Una nueva ventana al universo

Si bien el reloj nuclear sería aún más preciso que el atómico, Schumm explica que “la ventaja del reloj nuclear no es tanto su mejor rendimiento sino su mayor estabilidad”.

“Debido a que el núcleo es tan pequeño y las fuerzas nucleares involucradas son enormes, las perturbaciones externas como la temperatura o campos magnéticos no lo afectan realmente. Por tanto es un reloj mucho más robusto”.

“Incluso se puede incrustar un número muy elevado de núcleos en algún material portátil simple, como un cristal, sin degradar el rendimiento”.

Más allá de sus aplicaciones tecnológicas, algo que entusiasma especialmente a los científicos es que los relojes nucleares abrirán una nueva puerta al estudio del Universo.

“El reloj nuclear es insensible a fuerzas externas, pero es muy sensible a las fuerzas internas que actúan dentro del núcleo. Estas son fuerzas electromagnéticas, pero también fuerzas nucleares, que mantienen unido el núcleo. Especialmente estas últimos son muy difíciles de investigar, por lo que el reloj nuclear también actuará como sensor de algunas de las fuerzas fundamentales de la naturaleza”, señala Schumm.

¿Cuáles son algunas de las preguntas que será posible explorar con un reloj nuclear?

“Hay muchos aspectos del universo que todavía no entendemos”, señala Rey.

“Por ejemplo, sabemos que más del 80% de los constituyentes del universo no son materia normal,sino materia oscura que no entendemos. Y es posible que operando un reloj nuclear que es bastante sensible a muchos efectos a los que no son sensibles los relojes atómicos normales, podamos tener una clave para entender cuál es el origen de esa materia oscura”.

Los relojes nucleares también podrán compararse con los relojes atómicos, y eso permitirá estudiar si las constantes de la naturaleza que se piensa son universales, como la velocidad de la luz, realmente son invariables en el tiempo y el espacio.

“Una cantidad de preguntas que por ahora no sabemos”, dice Rey.

“Así que es una ventana para investigaciones en un futuro que nos permitan descubrir más cosas del universo. Siempre que esto sucede llegamos a mejores desarrollos tecnológicos”.

Sentir la belleza de la física

Schumm describió a BBC Mundo qué sintió al dar con la frecuencia precisa para cambiar el estado de un núcleo de torio.

“¡Es simplemente asombroso! La mayor parte del tiempo pasamos construyendo cosas y reparando componentes que están rotos, por lo que hay poco progreso (o ninguno), y pensamos mucho en lo fantástico que sería si finalmente funcionara. ¡Y realmente lo hizo! Pocos investigadores tienen el privilegio y la suerte de vivir este momento y agradezco a mi equipo y colaboradores que hayan persistido durante tanto tiempo”.

“Ahora podemos tomar muchas de las herramientas poderosas que se han desarrollado en física atómica y óptica cuántica y transferirlas a la física nuclear. ¡Yo diría que hay suficientes preguntas abiertas para toda una generación de científicos!”, agregó el científico de la Universidad Tecnológica de Viena.

Tanto el reloj atómico como el nuclear muestran además cómo investigaciones en física teórica pueden acabar impactando el día a día de miles de millones de personas.

“En general la física teórica crea los modelos que le permiten a los experimentos tratar de entender cómo se comporta nuestro universo”, señala Ana María Rey.

“Todos los computadores, por ejemplo, se basan en transistores. Y los transistores existen gracias a que entendemos la mecánica cuántica. Entendemos, por ejemplo, cómo los electrones se mueven en un metal, todo eso requiere el entendimiento de la mecánica cuántica”.

“La física teórica es la que da una forma de interpretar el por qué de este comportamiento y hace predicciones de nuevas formas en que la naturaleza se puede comportar. Y es esa interacción entre las predicciones que hace la física teórica y el experimento lo que lleva a descubrimientos que avanzan la tecnología en el día a día en electrónica, comunicaciones, transporte. Todo se debe a nuestro entendimiento de la mecánica cuántica indirectamente”.

“Y los relojes nucleares nos pueden abrir otra forma de entender la mecánica cuántica que no tenemos ahora”.

En una entrevista con Optica, una sociedad estadounidense que promueve el avance en ese campo científico, Ana María Rey recordó que halló su vocación después de un momento eureka durante su primera clase de física.

“Todos los números y conceptos en mi mente cobraron vida. Sentí la belleza de la física; gobierna nuestro universo, desde los movimientos de electrones dentro de un átomo hasta el comportamiento de los agujeros negros”.

“Era un rompecabezas que nos podía contar todo sobre el mundo, y me fascinaba poder resolverlo”.

¿Sigue sintiendo Rey la belleza de su disciplina en su trabajo actual con relojes?

“Claro, cada día”, dijo a BBC Mundo.

“Yo llego al trabajo con la emoción de poder tratar de descubrir aspectos de la física que nos pueden informar en una ecuación cómo se comporta el universo, para mí es algo fascinante, ¿Cómo podemos describir matemáticamente qué es lo que va a pasar si aplicamos esta cosa? Si iluminamos un átomo con cierta frecuencia de luz, ¿cómo se va a comportar?, ¿qué es lo que va a pasar?”.

“El poder predecir con un modelo matemático lo que va a pasar es como de magia y eso es lo que me pareció fantástico. Si logro con mi teoría decirle al experimentalista, aplique esto, mida eso y va a encontrar esto y lo encuentra, es lo mejor que puede pasar”.

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