Dos equipos construyen los primeros relojes nucleares funcionales

Tras más de dos décadas de esfuerzos, dos grupos de investigación independientes han construido los primeros relojes nucleares funcionales: dispositivos que miden el tiempo mediante oscilaciones dentro de un núcleo atómico en lugar de sus electrones circundantes. Los avances paralelos, comunicados en prepublicaciones en arXiv a principios de junio, marcan la transición del cronometraje nuclear de una aspiración teórica a una tecnología operativa.

Un hito largamente buscado

El equipo europeo, dirigido por el físico Thorsten Schumm de la TU Wien en Austria, y un equipo chino con base en la Universidad de Tsinghua bajo la dirección de Shiqian Ding y el primer autor Beichen Huang, estabilizaron cada uno un láser ultravioleta de vacío en la transición nuclear de 148 nanómetros en núcleos de torio-229 incrustados en cristales de fluoruro de calcio. Ambos grupos implementaron bucles de retroalimentación que dirigen continuamente la frecuencia del láser para que coincida con la resonancia nuclear, un paso que distingue a un reloj operativo de la mera espectroscopia.arxiv+2

"Este era el último paso que faltaba antes de llamarlo un reloj real", dijo a Science News Lars von der Wense, físico de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, que no participó en ninguno de los proyectos.gizmodo

El equipo dirigido por Tsinghua logró una inestabilidad de frecuencia fraccionaria de 2 × 10⁻¹² por la raíz cuadrada del tiempo de promedio en segundos, alcanzando aproximadamente 2 × 10⁻¹⁴ durante un funcionamiento prolongado. El equipo de Viena informó de una inestabilidad de 3 × 10⁻¹² por la raíz cuadrada del tiempo de promedio, acercándose a 10⁻¹⁵ durante un día completo de funcionamiento continuo y sin supervisión. Ambos funcionan a temperatura ambiente o cerca de ella, sin los sistemas de refrigeración extrema o de vacío que requieren los principales relojes atómicos actuales.arxiv+2

Por qué es importante

Un núcleo atómico es aproximadamente 10.000 veces más pequeño que la nube de electrones que lo rodea, lo que lo hace mucho menos susceptible a las perturbaciones de los campos eléctricos, las fluctuaciones de temperatura y otros ruidos ambientales. Esa resistencia podría dar lugar a relojes de una estabilidad inigualable, lo suficientemente compactos para su despliegue en campo y lo suficientemente precisos para comprobar si las constantes fundamentales de la física varían con el tiempo.gizmodo

El grupo de Viena puso inmediatamente su reloj a trabajar en la búsqueda de materia oscura ultraligera, informando de que el dispositivo ya supera a los relojes atómicos a la hora de limitar cómo la materia oscura podría acoplarse a la fuerza nuclear fuerte y a los quarks. La mayor sensibilidad se debe a que la transición nuclear del torio-229 es miles de veces más sensible a los cambios en la constante de estructura fina que las transiciones electrónicas utilizadas en los relojes atómicos convencionales.pubmed.ncbi.nlm.nih+2

Primeros días, rápido progreso

Ambos equipos reconocieron que los dispositivos actuales aún no igualan la precisión bruta de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo, que alcanzan incertidumbres fraccionarias inferiores a 10⁻¹⁸. Pero el ritmo de mejora ha sido rápido. Apenas en marzo, casi una docena de grupos en China, Europa, Japón y Estados Unidos competían por ensamblar los componentes necesarios. El propio trabajo del equipo de Viena en 2024 localizó primero la resonancia del torio; ahora, apenas dos años después, existe un reloj funcional.nature+1

"Lo que más me impresionó fue que el sistema funcionara continuamente durante 24 horas sin intervención del usuario", dijo Ekkehard Peik, del instituto nacional de metrología de Alemania PTB, coautor del artículo europeo.newscientist