La mayoría de los relojes, desde relojes de pulsera hasta sistemas que ejecutan GPS e Internet, funcionan siguiendo movimientos regulares y repetitivos.
Para hacer un reloj, necesitas algo que funcione de manera perfectamente repetible. En un reloj de péndulo, ese latido es la oscilación regular del péndulo: hacia adelante y hacia atrás, hacia adelante y hacia atrás, casi a la misma velocidad cada vez.
Nuestro equipo de físicos está estudiando si algún día se podría fabricar un tipo de reloj aún mejor a partir del núcleo atómico. Los mejores relojes actuales ya utilizan átomos para mantener la hora extremadamente precisa. Pero, en principio, un reloj basado en el núcleo (el núcleo diminuto y denso en el centro del átomo) en lugar de en los electrones del átomo, podría mantener un ritmo más estable porque sería menos sensible a las perturbaciones ambientales como los cambios de temperatura. En nuestra investigación, publicada en la revista Nature, medimos e interpretamos una propiedad nuclear única del torio-229 en el cristal que podría ayudar a hacer posibles estos relojes nucleares.
Los relojes ultraprecisos son más que curiosidades científicas. Desempeñan papeles clave en la navegación, las comunicaciones y el cronometraje internacional. Las mejoras en la precisión del tiempo también pueden abrir la puerta a nueva ciencia.
Cómo funcionan los relojes atómicos
En un reloj atómico, los investigadores proyectan un láser sobre un material y ajustan cuidadosamente la luz hasta que desencadena una respuesta atómica específica, generalmente empujando o excitando un electrón de un nivel de energía a otro. Pueden decir que esto sucedió porque los átomos absorben la luz láser con mayor fuerza cuando su energía es la adecuada.
Esa absorción se produce a una frecuencia extremadamente precisa. La frecuencia es la frecuencia con la que algo se repite a lo largo del tiempo. En el caso de un péndulo, es el número de oscilaciones hacia adelante y hacia atrás por segundo. En el caso de la luz, es el número de ciclos de ondas que pasan cada segundo. La frecuencia de una onda luminosa determina también su energía y, en el rango de luz visible, su color.
Al detectar cuándo los átomos absorben con mayor fuerza la luz láser, los científicos pueden utilizar el láser como metrónomo. En lugar de contar oscilaciones, estos relojes cuentan ondas de luz.
Para garantizar que la frecuencia del latido se mantenga constante y que el reloj siga siendo preciso, los científicos hacen coincidir estrechamente la energía del láser con la energía necesaria para excitar un electrón en un átomo.
Dado que la energía de excitación de un electrón está determinada por las leyes de la física, los relojes atómicos basados en el mismo átomo funcionan al mismo ritmo en todas partes del universo; incluso ET estaría de acuerdo con su reloj.
Sin embargo, utilizar esta energía para calibrar un reloj, como lo hacen los relojes atómicos, no deja de tener consecuencias. Si algo cambia la energía del átomo, como un campo magnético desconocido o la temperatura ambiente, el reloj marcará una velocidad diferente.
En lo profundo de cada átomo hay algo aún más pequeño: el núcleo. Los relojes atómicos actuales mantienen el tiempo monitoreando los cambios en los electrones de un átomo. Un reloj nuclear, por el contrario, utilizaría la excitación en el propio núcleo, que es mucho más compacto.
Como el núcleo es 10.000 veces más pequeño que un átomo, es mucho menos sensible a la temperatura, los campos eléctricos y otras perturbaciones ambientales que los electrones de un átomo. Esto lo convierte en un candidato atractivo para un reloj aún más estable.
El desafío es que la naturaleza no hace que un reloj así sea fácil de fabricar. Un activo único que encontramos en nuestra investigación podría ayudar.
¿Qué hace que el torio-229 sea especial?
En un caso extremadamente raro, el núcleo del elemento torio-229 tiene una propiedad basada en dos de sus estados: un estado fundamental y un estado excitado de energía ligeramente superior. Estos estados representan dos configuraciones diferentes del núcleo y los científicos pueden utilizar láseres para excitar el núcleo de un estado a otro.
Los relojes nucleares podrían funcionar utilizando láseres para excitar el núcleo de un átomo de modo que emita energía en forma de luz o transfiera energía a otro electrón, como en el caso del torio-229. N. Hanacek/NIST
El primer paso fue determinar exactamente cuánta energía se necesitaba para empujar el núcleo de torio-229 a su estado excitado. Esto tomó casi 50 años, una hazaña que nosotros y otros grupos logramos en 2024. Esa transición ocurre a una frecuencia extremadamente alta, alrededor de 2 mil billones (2 * 1015) de ciclos por segundo.
A continuación, para asegurarse de que su láser esté en la frecuencia correcta para crear el reloj, debe verificar que el núcleo realmente haya sido excitado. Hasta ahora, los físicos pensaban que la mejor manera de hacerlo era buscar los muy débiles destellos de luz que suelen emitir los núcleos excitados.
Sin embargo, hay dos problemas con ese enfoque.
Primero, en la mayoría de los materiales, los núcleos de torio liberan su energía no en forma de luz, sino a través de un proceso llamado conversión interna, donde la energía se transfiere a un electrón en el material.
En segundo lugar, incluso cuando se emite luz, es extremadamente difícil de detectar. Se encuentra en el vacío ultravioleta, la parte del espectro electromagnético que el aire absorbe y es difícil de observar.
En un material opaco, la luz sólo puede viajar unos pocos nanómetros en el material antes de ser completamente absorbida. Sin embargo, los científicos pueden detectar electrones excitados por la luz y emitidos por el material para observar un proceso llamado transición nuclear, que algún día podría ayudar a hacer funcionar el reloj nuclear. Albert Bao y Grant Mitts Otra forma de “escuchar” el núcleo
En nuestro trabajo, revertimos el problema. En lugar de intentar recoger luz del núcleo, buscamos directamente los electrones de conversión internos que produce.
Creamos una capa muy delgada (de sólo unas pocas decenas de átomos de diámetro) de dióxido de torio en un pequeño disco de metal. Un láser sintonizado con la energía adecuada excitó los núcleos de torio de la muestra. Cuando algunos de estos núcleos se relajaron, transfirieron su energía a electrones cercanos, que luego podrían abandonar la superficie. Utilizamos campos eléctricos y magnéticos cuidadosamente dispuestos para dirigir esos electrones hacia el detector.
Al escanear el láser a diferentes frecuencias y registrar cuántos electrones detectamos, pudimos medir en qué medida la energía del láser coincidía con la energía necesaria para excitar el núcleo. Cuando los dos coincidieron exactamente, la señal apareció claramente en los datos, revelando la frecuencia precisa del láser a la que los núcleos de torio-229 absorben con mayor fuerza.
También medimos cuánto tiempo sobrevivió un estado nuclear excitado en este material antes de relajarse, lo que nos brinda una ventana directa de cómo el material circundante afecta al núcleo.
Los científicos están estudiando la forma del elemento torio para determinar si algún día podría usarse en un reloj nuclear.
La medición se vuelve mucho más poderosa cuando se combina con la teoría. Los cálculos pueden estimar cómo el tipo de material utilizado mueve la energía necesaria para excitar el torio y con qué eficiencia convierte la energía del núcleo en electrones emitidos. Estos cálculos ayudan a los investigadores a separar el comportamiento interno del núcleo de los efectos externos causados por el cuerpo sólido que lo rodea. Esa comprensión es clave para diseñar relojes nucleares prácticos.
Por qué este enfoque es importante
Detectar electrones en lugar de luz tiene dos ventajas principales.
En primer lugar, abre la puerta al estudio del torio-229 en una gama mucho más amplia de sólidos, incluidos algunos que los investigadores habían descartado previamente. Los enfoques anteriores funcionaron mejor sólo en materiales donde era difícil desprender electrones, lo que limitaba las posibilidades. Nuestro método alivia esa limitación, permitiendo a los científicos explorar materiales que antes no eran prácticos. Esa categoría más amplia de materiales podría facilitar el diseño y la construcción de futuros relojes nucleares.
En segundo lugar, este método podría permitir un nuevo tipo de reloj nuclear que sea más simple y potencialmente más fácil de miniaturizar. En lugar de necesitar detectores de luz sensibles, un reloj basado en este enfoque podría leer la hora midiendo la pequeña corriente eléctrica producida por los electrones emitidos.
¿Para qué podrían usarse los relojes nucleares?
Algún día, los investigadores podrían utilizar relojes nucleares para probar si las constantes fundamentales de la naturaleza realmente permanecen constantes durante largos períodos de tiempo, o para buscar signos de nueva física, como la materia oscura, en el universo. Relojes más estables también podrían mejorar las tecnologías que dependen de la hora sincronizada, como los sistemas de navegación avanzados.
Nuestro trabajo es un primer paso en esa dirección. No proporciona un reloj terminado, pero elimina una barrera práctica y proporciona una nueva herramienta experimental para estudiar cómo se comporta el núcleo de torio dentro de los sólidos.
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