Medir el tiempo con la frecuencia de onda de la materia

El físico alemán Holger Müller, actualmente profesor asociado de Física en la Universidad de California, en Berkeley (Estados Unidos), y colegas del centro universitario han encontrado una forma nueva de medir el tiempo. Aprovechando el hecho de que, en la naturaleza, la materia puede ser tanto una partícula como una onda, su método para decir la hora utiliza las oscilaciones de una onda de materia, cuya frecuencia es 10.000 millones de veces más alta que la de la luz visible.

En un artículo publicado este viernes en la revista 'Science', Müller y sus colegas describen cómo decir la hora usando sólo la onda de materia de un átomo de cesio y se refieren a su método como un reloj de Compton, porque se basa en la frecuencia de llamada Compton de una onda de materia. "Cuando yo era muy joven y leyendo libros de ciencia, siempre me pregunté por qué había tan poca explicación de qué es el tiempo", dijo Müller, quien también es científico invitado en el 'Lawrence Berkeley National Laboratory'.

Mientras que el reloj Compton de Müller es todavía 100 millones de veces menos preciso que los mejores relojes atómicos actuales, que emplean iones de aluminio, las mejoras en la técnica podrían aumentar su precisión a la de los relojes atómicos, incluyendo los relojes de cesio que ahora se utilizan para definir el segundo, asegura el propio investigador.

"Este es un experimento hermoso y bien diseñado, pero va a ser polémico y debatido acaloradamente", afirmó John Close, físico cuántico de la Universidad Nacional Australiana en Canberra. Müller da la bienvenida a debate, ya que sus ofertas de experimentar con un concepto básico de la mecánica cuántica, la dualidad onda-partícula de la materia, ha confundido a los estudiantes durante casi 90 años.

"Estamos hablando de algunas ideas realmente fundamentales --dijo Close--. La discusión va a crear un entendimiento más profundo de la física cuántica". Müller encontró hace dos años una manera de utilizar ondas de materia para confirmar el desplazamiento al rojo gravitacional de Einstein, es decir, que el tiempo se ralentiza en un campo gravitatorio. Para ello, construyó un interferómetro de átomos que trata a los átomos en forma de ondas y mide su interferencia.

"En ese momento, pensé que esta aplicación muy, muy especializada de las ondas de materia era como los relojes", afirmó Müller. Y explica: "Cuando haces un reloj de pared, hay un péndulo y un reloj que cuenta las oscilaciones del péndulo. Así que hay algo que se balancea. No había manera de hacer un reloj de ondas de materia, ya que su frecuencia de oscilación es 10.000 millones de veces más alta que incluso las oscilaciones de la luz visible".

Sin embargo, el año pasado se dio cuenta de que podría ser capaz de combinar dos técnicas bien conocidas para crear un mecanismo de relojería y explícitamente demostrar que la frecuencia de Compton de una sola partícula es útil como referencia para un reloj. Un átomo de cesio que se aleja y luego retorna es menor que uno que se detiene, por lo que el movimiento de onda de la materia de cesio oscila menos veces y la diferencia de frecuencia (de alrededor de 100.000 oscilaciones menos por segundo de 10 millones de billones de billones de oscilaciones, es decir, 3 x 1.025 para un átomo de cesio) podría ser mensurable.

En el laboratorio, Müller demostró que podía medir esta diferencia al permitir que las ondas de materia de los átomos de cesio fijas y en movimiento intervengan en un interferómetro atómico. "Nuestro reloj tiene una precisión de siete partes por mil millones -dijo--. Es como medir un segundo de ocho años, casi tan bueno como el primer reloj atómico de cesio unos 60 años atrás. Tal vez podamos desarrollarlo más y un día definir el segundo como tantas oscilaciones de la frecuencia de Compton para una partícula determinada".

Müller espera impulsar su técnica para partículas aún más pequeñas, como los electrones o positrones incluso, en este último caso, con la creación de un reloj de antimateria. Este físico tiene la esperanza de que algún día será capaz de decir la hora usando las fluctuaciones cuánticas en el vacío.