Crean el primer reloj nuclear del mundo, lo que podría cambiar las reglas de la medición
Esta precisión extrema podría utilizarse ahora para estudiar las leyes fundamentales de la naturaleza e investigar si las constantes de la naturaleza quizás no sean del todo constantes, sino que posiblemente cambien en el espacio y el tiempo
Durante años, científicos de todo el mundo han trabajado para conseguir un reloj atómico mucho más preciso, pero ahora, de repente, todo está sucediendo a un ritmo muy rápido. En abril, un equipo dirigido por el profesor Thorsten Schumm (TU Wien, Viena) anunció un gran éxito: por primera vez, un núcleo atómico había pasado de un estado a otro mediante un láser, un efecto que puede utilizarse para realizar mediciones de alta precisión.
Ahora, solo unas semanas después, esta transición del torio se ha aplicado con éxito en la práctica: la TU Wien y JILA/NIST (EE.UU.) han logrado combinar un reloj atómico óptico de alta precisión con un sistema láser de alta energía y lo han acoplado con éxito a un cristal que contiene núcleos atómicos de torio. Los núcleos atómicos de torio pueden utilizarse ahora como dispositivo de medición del tiempo, lo que hace que el reloj sea aún más preciso: es el primer reloj nuclear del mundo. El mismo se presenta en la revista Nature.
Aún no ofrece una precisión mayor que la de un reloj atómico convencional, pero ese no era el objetivo de este primer paso. «Con este primer prototipo hemos demostrado que el torio se puede utilizar como cronómetro para mediciones de altísima precisión. Ahora solo queda realizar un trabajo de desarrollo técnico, por lo que no se esperan mayores obstáculos», afirma Schumm.
El reloj atómico del JILA (un instituto de investigación del NIST y la Universidad de Boulder, EE.UU.) ha sido acoplado con éxito a núcleos atómicos de torio. Para ello se han necesitado algunos trucos físicos: «El reloj atómico funciona con luz láser en el rango infrarrojo, que se utiliza para excitar los átomos de estroncio. Sin embargo, nuestros núcleos atómicos de torio necesitan radiación en el rango ultravioleta», explica Schumm. «Por lo tanto, necesitamos un modo de convertir las frecuencias infrarrojas en frecuencias ultravioleta, de forma similar a una transmisión mecánica que convierte una frecuencia de rotación lenta en una rotación más rápida mediante engranajes adecuados».
Para ello se utilizaron pulsos láser infrarrojos ultracortos compuestos por una serie de frecuencias infrarrojas diferentes. La distancia entre dos frecuencias vecinas es siempre la misma, como la distancia entre los dientes de un peine, por lo que también se denomina «peine de frecuencias». Este peine de frecuencias de luz infrarroja incide sobre un gas xenón, y los átomos de xenón reaccionan a la luz infrarroja produciendo luz ultravioleta de una forma muy predecible y precisa. A continuación, esta luz ultravioleta se envía a un diminuto cristal que contiene núcleos de torio. «Este cristal es el elemento central del experimento», explica Thorsten Schumm. «Se fabricó en la Universidad Técnica de Viena y se necesitaron varios años de trabajo de desarrollo para desarrollar los conocimientos necesarios».
En proceso
La combinación de estos elementos ha funcionado bien y el resultado es el primer reloj nuclear del mundo. Este primer prototipo no ofrece todavía un aumento de la precisión, pero eso nunca se había pretendido. «Nuestro objetivo era desarrollar una nueva tecnología. Una vez que está ahí, el aumento de la calidad se produce de forma natural, eso siempre ha sido así», relata Thorsten Schumm. «Los primeros coches no eran más rápidos que los carruajes. Se trataba de introducir un nuevo concepto. Y eso es exactamente lo que hemos conseguido ahora con el reloj nuclear».
Esto también ha permitido medir la energía de los estados del torio con una precisión extrema, órdenes de magnitud superiores a las que se habían obtenido hasta ahora. «Cuando excitamos la transición por primera vez, pudimos determinar la frecuencia con una precisión de unos pocos gigahercios, lo que ya era más de mil veces mejor que todo lo conocido hasta ahora. Sin embargo, ahora tenemos una precisión en el rango de los kilohercios, lo que a su vez es un millón de veces mejor», destaca Thorsten Schumm. «De esta manera, esperamos superar a los mejores relojes atómicos en dos o tres años».
Esta tecnología no sólo permitirá realizar mediciones del tiempo con mucha más precisión que los relojes anteriores, sino que también permitirá medir con mayor precisión otras magnitudes físicas en el futuro. En muchos campos de investigación, desde la geología hasta la astrofísica, la tecnología del torio podría aportar importantes avances. Esta precisión extrema podría utilizarse ahora, por ejemplo, para estudiar las leyes fundamentales de la naturaleza e investigar si las constantes de la naturaleza quizás no sean del todo constantes, sino que posiblemente cambien en el espacio y el tiempo.
