Los físicos han demostrado todos los componentes de un reloj atómico: dispositivos que miden el tiempo midiendo pequeños cambios de energía dentro de un núcleo atómico. Estos relojes podrían conducir a mejoras significativas en las mediciones de precisión, así como a nuevos conocimientos en física fundamental.

Los investigadores midieron la frecuencia de la luz que hace que los núcleos del raro isótopo torio-229 pasen a un estado de mayor energía, el "reloj" del reloj atómico, con una precisión 100.000 veces mayor que el mejor valor anterior. Lo lograron sincronizando la migración de energía con el reloj más preciso del mundo. El trabajo fue dirigido por Jun Ye en JILA, un instituto de investigación en Boulder, Colorado, y publicado el 5 de septiembre en Nature. "Es realmente uno de los artículos más interesantes de los últimos tiempos", dice Marianna Safronova, física nuclear de la Universidad de Delaware en Newark.

El gran avance se produjo al examinar los núcleos de torio-229 con un dispositivo láser llamado peine de frecuencia. Técnicamente, la configuración no es un reloj, ya que aún no se ha utilizado para medir el tiempo. Pero resultados tan impresionantes hacen posible el desarrollo de un reloj atómico, afirma Safronova.

Las mediciones del reloj ya están resultando útiles en la física de partículas, afirma Elina Fuchs, física teórica de la Universidad Leibniz de Hannover, Alemania. Y dado que la frecuencia del reloj está determinada por las fuerzas fundamentales que mantienen unido el núcleo, el prototipo podría determinar si un tipo de materia oscura (una sustancia invisible que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo) está influyendo en estas fuerzas a pequeña escala. "Esta es una ventana nueva y directa a la energía nuclear", afirma Fuchs.

Relojes definitivos

Los mejores relojes del mundo, llamados relojes atómicos, miden el tiempo usando láseres: la frecuencia de la luz está sintonizada con precisión para lograr la energía necesaria para mover electrones entre dos niveles de energía dentro de un átomo. El reloj atómico más preciso gana o atrasa sólo un segundo cada 40 mil millones de años. Un reloj atómico funcionaría de manera ligeramente diferente: el reloj correspondería a las transiciones de energía de protones y neutrones, en lugar de electrones, cuando entran en un estado excitado.

Este cambio de energía requiere una frecuencia ultravioleta ligeramente más alta, lo que da como resultado una sincronización más rápida que podría igualar o superar la precisión del reloj atómico. Pero la mayor ventaja potencial del reloj atómico reside en su combinación de precisión y estabilidad. Las partículas del núcleo son menos sensibles que los electrones a perturbaciones como los campos electromagnéticos, lo que significa que un reloj atómico podría ser portátil y robusto. "Se vuelve insensible de una manera que es difícil de imaginar en términos de cómo funcionan nuestros relojes hoy", dice Anne Curtis, física experimental del Laboratorio Nacional de Física en Teddington, Reino Unido.

Pero encontrar el tipo correcto de núcleo atómico a utilizar y determinar la frecuencia necesaria para cambiarlo a un estado energético diferente ha sido un trabajo de 50 años para los físicos. En la década de 1970, la evidencia indirecta sugirió que el torio-229 tenía una transición nuclear extrañamente de baja energía, una transición que eventualmente podría ser desencadenada por plasma de mesa. Pero no fue hasta el año pasado que los científicos descubrieron la frecuencia necesaria y este año iniciaron con éxito la transición con un láser.

El equipo de JILA buscó la frecuencia de transición en billones de átomos de torio-229 incrustados en el cristal utilizando un sistema conocido como peine de frecuencia. El peine crea una serie de líneas de frecuencia láser que están espaciadas de manera regular y uniforme. Esto permite a los investigadores iluminar el cristal en muchas frecuencias precisas a la vez para buscar un impacto, en lugar de escanear laboriosamente el espectro de posibles opciones con un láser de una sola frecuencia.

Los ajustes del peine, incluido el ancho de los espacios entre las líneas o "dientes", se calibraron utilizando el reloj atómico y se podían ajustar. El equipo realizó varias ejecuciones experimentales y, mientras observaban el brillo característico que se produce cuando los átomos de torio-229 decaen de su estado excitado, utilizaron la configuración para calcular la frecuencia que controla la señal.

Observar la transición por primera vez "fue increíble", dice el coautor del estudio Chuankun Zhang, físico de JILA. "Hicimos pruebas durante toda la noche para comprobar si ésta era realmente la señal que estábamos buscando", afirma.

Fuerzas basicas

Lo que tiene de especial el peine de frecuencia es que permite a los físicos medir la frecuencia del reloj de un reloj (en este caso, el núcleo de torio-229) como una relación con otra frecuencia conocida, en este caso un reloj atómico. Esto no sólo permitió al equipo determinar el valor absoluto de la frecuencia con alta precisión, sino que también abrió algunas posibilidades interesantes en física, afirma Zhang.

Si la velocidad de un reloj cambia con el tiempo en relación con otro, podría indicar que los factores que determinan los niveles de energía, como la fuerza nuclear fuerte o electromagnética, están a la deriva o fluctuando, dice Fuchs. Se cree que ciertas formas "ligeras" de materia oscura, que tienen una masa extremadamente baja, tienen este efecto, afirma.

Cualquier cambio en las fuerzas se vería amplificado en la frecuencia de la migración hacia el interior del núcleo, por lo que los relojes atómicos podrían ser potencialmente alrededor de 100 millones de veces más sensibles a los efectos de este tipo de materia oscura que los relojes atómicos. El último resultado, que determina la frecuencia con una precisión de 13 decimales, ya es lo suficientemente preciso como para reducir los posibles rangos de energía en los que podría existir la materia oscura ligera, afirma Fuchs. La física nuclear también podría beneficiarse de una frecuencia de transición más precisa, que podría ayudar a los científicos a distinguir entre diferentes formas posibles del núcleo de torio-229.

Pero es necesario trabajar más antes de que los relojes atómicos puedan superar a los relojes atómicos, que actualmente tienen una precisión de 19 decimales. Los investigadores estudiarán si tiene sentido mantener el torio-229 incrustado en un cristal (un sólido es útil para fabricar un reloj portátil) o si confinar átomos individuales produciría mejores resultados.

También es necesario optimizar el sistema láser. "Afortunadamente, esta asombrosa técnica tiene un gran potencial", dice Olga Kocharovskaya, física de la Universidad Texas A&M en College Station. Es un “prototipo de la fuente que se utilizará en el futuro reloj”, añade.