Durante décadas, los relojes atómicos han sido la herramienta más precisa que tenemos para medir el tiempo. Están detrás de tecnologías que usamos sin pensar demasiado, como los sistemas de navegación, las telecomunicaciones o la sincronización de redes. Pero ahora acaba de darse un paso que suena casi a ciencia ficción. Dos equipos independientes han conseguido construir relojes que no se apoyan en los electrones de un átomo, sino en su núcleo.
La diferencia no es pequeña. En un reloj atómico clásico, el “tic” lo marca el salto de energía de los electrones. En un reloj nuclear, ese papel lo asume el núcleo del átomo, una zona mucho más protegida frente a interferencias externas. ¿Qué significa esto en la práctica? Que, si la tecnología madura, podríamos tener relojes todavía más estables que los actuales y sensores capaces de buscar señales muy débiles del universo. No es poca cosa.
Qué han conseguido
Un reloj necesita un ritmo fiable. En los relojes de alta precisión, ese ritmo se obtiene con luz láser, pero el láser tiende a desviarse un poco con el tiempo. Por eso necesita una referencia estable que lo corrija una y otra vez.
La clave de este avance está justo ahí. Los nuevos trabajos han logrado cerrar ese “bucle de realimentación”, es decir, han conseguido que la transición nuclear del torio 229 sirva para estabilizar el láser. El físico Lars von der Wense, citado por Science News, lo resumió como “el paso que faltaba” para llamarlo un reloj real.
Hasta ahora, la idea llevaba años sobre la mesa. Ya en 2003 se propuso que el torio 229 podía servir para fabricar un reloj nuclear, porque su núcleo tiene una transición de energía excepcionalmente baja. El problema era llevarlo del papel al laboratorio. Y ahí es donde la historia cambia.
Por qué el torio lo hace posible
La mayoría de los núcleos atómicos necesitan energías demasiado altas para ser manipulados con láseres de precisión. Dicho de forma sencilla, no basta con apuntar una luz y esperar que el núcleo responda. Normalmente hace falta mucha más energía.
El torio 229 es la gran excepción conocida. Su núcleo puede cambiar de estado con luz ultravioleta de vacío, alrededor de los 148 nanómetros. No hablamos de la luz ultravioleta de una lámpara doméstica, sino de una radiación muy difícil de generar y controlar en laboratorio.
Los equipos colocaron núcleos de torio 229 dentro de cristales de fluoruro de calcio. Ese cristal funciona como una especie de soporte sólido que mantiene los núcleos en su sitio. Parece una pieza pequeña, casi discreta, pero dentro está el corazón de una nueva forma de medir el tiempo.
Dos relojes, dos caminos
El equipo europeo, liderado por Luca Toscani De Col y Thorsten Schumm, estabilizó un láser continuo con la transición nuclear del torio 229. Los núcleos estaban incrustados en un cristal milimétrico de fluoruro de calcio a temperatura ambiente. Además, compararon el sistema con un reloj atómico de un ion de iterbio, una referencia ya muy precisa.
Ese reloj también se usó para buscar posibles señales de materia oscura ultraligera. No apareció una señal clara, pero el resultado ya compite con algunos de los mejores relojes atómicos en ciertos tipos de búsqueda. Aquí el reloj no solo cuenta segundos. También puede actuar como una lupa para mirar fenómenos que no vemos directamente.
El equipo chino, liderado por Beichen Huang y Shiqian Ding, tomó otra ruta. Construyó un reloj nuclear con un láser ultravioleta de vacío de 148,4 nanómetros y probó el comportamiento de cristales producidos de forma independiente. Las frecuencias medidas en dos cristales distintos coincidieron al nivel de 10^-13, algo importante para saber si estos relojes pueden repetirse y no quedarse como una rareza de laboratorio.
Para qué podría servir
La primera utilidad parece obvia, medir el tiempo mejor. Pero la historia va mucho más allá. Un reloj de este tipo podría ayudar en sistemas de navegación, sensores gravitatorios y experimentos que buscan comprobar si las constantes fundamentales de la naturaleza son realmente constantes.
Esto puede sonar lejano, pero la precisión extrema suele acabar teniendo consecuencias prácticas. Pasó con los relojes atómicos, que hoy permiten que el GPS funcione con exactitud. Sin esa sincronización fina, muchas cosas cotidianas serían menos fiables.
También hay una parte más profunda. Como el núcleo está gobernado por fuerzas distintas a las que dominan el comportamiento de los electrones, comparar un reloj nuclear con uno atómico puede revelar pequeñas variaciones que antes pasaban desapercibidas. Ahí entra la búsqueda de materia oscura y de posibles cambios en las leyes básicas de la física.
Lo que aún falta
Conviene poner los pies en el suelo. Estos relojes no superan todavía a los mejores relojes atómicos en capacidad general para medir el tiempo. Además, los dos trabajos están publicados como preprints en arXiv y aún no han pasado por revisión por pares, un paso importante antes de darlos por plenamente consolidados.
Aun así, el avance es serio. Los investigadores ya apuntan a mejoras en los láseres, los cristales y la miniaturización del sistema. En la práctica, esto significa que el reloj nuclear todavía está en su primera versión, pero ya funciona. Y eso cambia el punto de partida.
No estamos ante un aparato que vaya a llegar mañana a los móviles o a los coches. Estamos ante una nueva plataforma científica. Primero llegará al laboratorio, luego a instrumentos de precisión y, si la tecnología se vuelve más compacta y robusta, podría acabar influyendo en campos que hoy ni siquiera imaginamos.
Los estudios completos han sido publicados en arXiv bajo los títulos A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop y A nuclear clock based on 229Th.
