"Imagina un reloj de pulsera que no perdería un segundo incluso si lo dejaras funcionando durante miles de millones de años" así ha comunicado su descubrimiento el físico Jun Ye, cuya investigación acaba de ser portada de la prestigiosa revista Nature. Él y su equipo han construido el primer reloj nuclear del mundo. Y, para que nos hagamos una idea, la precisión de un reloj nuclear podría superar la de un reloj atómico actual, que ya ronda la milmillonésima parte de un segundo, esto es 0,0000000001 segundos.

No obstante, por ahora la nueva tecnología no ha logrado superar a la antigua, pero, según afirma el mismo Jun Ye, “nos acerca a ese nivel de precisión". Ha demostrado que es posible diseñar un reloj nuclear como los que soñábamos y, en el futuro reciente, alcanzar el nivel de precisión que buscamos para revolucionar el GPS, la velocidad de internet, la seguridad en red e incluso hacer mediciones más precisas en ciencia para poner a prueba lo que creíamos saber sobre las teorías fundamentales del universo. Todo ello gracias al núcleo de un átomo muy especial: el torio-229.

Tic-tac cuántico

Los relojes atómicos han sido una revolución, sin duda. Con ellos conseguimos una precisión muy superior a la que nos podían ofrecer los relojes convencionales, pero, por desgracia, por sofisticados que sean, también se acaban retrasando ligeramente con el tiempo. Del mismo modo que un reloj convencional necesita algún mecanismo que oscile de manera regular, como los péndulos de los antiguos relojes de pared, los relojes atómicos hacen lo propio con las oscilaciones de las ondas de luz. Concretamente, aprovechan las fluctuaciones del láser que, siendo una onda similar a las olas que vemos en la playa, sube y baja de manera regular.

La fluctuación de estas ondas de luz es mucho más estable en el tiempo que un péndulo, dando mayor precisión al reloj, pero es cierto que poco a poco el láser tiende a cambiar ligeramente su frecuencia. La forma de solucionarlo para diseñar relojes atómicos precisos ha sido emplear un átomo de estroncio. Todos los átomos tienen partículas eléctricas orbitando en su exterior, los llamados electrones y, cuando se les suministra la energía adecuada, estos electrones se excitan. En el caso de los electrones del estroncio la frecuencia necesaria es muy concreta, por lo que nos permite calibrar el láser si, con el tiempo, cambia su frecuencia y deja de ser capaz de excitar los electrones del estroncio.

El interior del átomo

La idea de los relojes nucleares es bastante parecida, solo que, en lugar de tomar los electrones como testigo de un posible cambio en la frecuencia del láser, emplea las partículas subatómicas que hay en el interior del átomo, los protones y neutrones que hay en su núcleo (y de ahí el nombre de “nuclear”. Si los electrones del átomo de estroncio eran sensibles a pequeños cambios en la frecuencia los núcleos atómicos lo son mucho más. Es como si tuviéramos una regla de centímetros para comprobar si algo cambia de tamaño y, de repente, tuviéramos una regla de milímetros, podríamos detectar cambios que antes pasaban desapercibidos.

No obstante, para cambiar el estado de un núcleo atómico hace falta suministrarle mucha más energía de la que se empleaba en los relojes atómicos, que se conformaban con luz infrarroja como la que utiliza la bombillita del mando de nuestra tele. Normalmente hace falta suministrarles una luz mucho más energética, rayos X, y aquí es donde viene la innovación de este equipo. Los núcleos atómicos del torio-229 son un caso extremo, en lugar de rayos X se conforman con luz ultravioleta, más fácil de producir al ser menos energética que la famosa luz de las radiografías. Pues bien, gracias a esta investigación, ahora sabemos exactamente cuánta energía hace falta para que el núcleo atómico de torio-299 salte entre dos de sus estados posibles, haciendo posible la construcción de relojes nucleares.

Un futuro cercano

Por supuesto, el desarrollo ha sido mucho más complejo y traducir la luz infrarroja del láser a ultravioleta no ha sido tan sencillo, pero con algunos cambios en el diseño de los relojes atómicos, los investigadores han logrado un hito tecnológico que, con suerte, no tardará mucho en llegar al mercado. En palabras de otro de los investigadores, Thorsten Schumm: "esperamos superar a los mejores relojes atómicos en 2-3 años. Nuestro objetivo era desarrollar una nueva tecnología. Una vez que está presente, el aumento en la calidad viene naturalmente, eso siempre ha sido así".

La afirmación de Thorsten puede sonar a fe, pero es cierto que lo que han conseguido es todo un hito tecnológico, el gran primer escollo para desarrollar relojes nucleares muchísimo más precisos que los mejores relojes atómicos. Gracias a sus resultados, ahora sabemos que tal tecnología es posible. Y eso no quiere decir que el camino que queda por recorrer sea fácil, pero, desde luego, es infinitamente menos complicado que ayer.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Aunque es un reloj nuclear, no es un reloj nuclear funcional, y eso es algo que debemos tener en cuenta porque puede producir confusión en los medios de comunicación. Imaginemos que no existieran los ordenadores y diseñáramos el primer dispositivo capaz de resolver operaciones matemáticas, pero tarda más que un ser humano promedio. Sería un ordenador, pero todavía no un ordenador funcional.

REFERENCIAS (MLA):

• Nicholson, T. L., et al. "Frequency Ratio of the 229mTh Nuclear Isomeric Transition and the 87Sr Atomic Clock." Nature, vol. 620, no. 7973, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07839-6.