El mundo mantiene el tiempo con el tictac de los relojes atómicos, pero un nuevo tipo de reloj que se está desarrollando, un reloj atómico, podría revolucionar la forma en que medimos el tiempo e investigamos la física fundamental.
Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, ha demostrado los elementos clave del reloj atómico. Un reloj nuclear es un nuevo tipo de dispositivo de cronometraje que utiliza señales del núcleo de un átomo. El equipo utilizó un láser ultravioleta especialmente diseñado para medir con precisión la frecuencia de los saltos de energía en los núcleos de torio incrustados en cristales sólidos. También utilizaron un peine de frecuencia óptica, que funciona como una regla de luz muy precisa, para contar el número de ciclos de ondas ultravioleta que crean este salto de energía. Aunque esta demostración de laboratorio no es un reloj atómico completamente desarrollado, tiene toda la tecnología básica para ello.
Los relojes atómicos pueden ser mucho más precisos que los relojes atómicos actuales, que proporcionan la hora internacional oficial y desempeñan un papel importante en tecnologías como el GPS, la sincronización de Internet y las transacciones financieras. Para la gente común, este avance podría eventualmente significar sistemas de navegación aún más precisos (con o sin GPS), velocidades de Internet más rápidas, conexiones de red más confiables y comunicaciones digitales más seguras.
Más allá de la tecnología cotidiana, los relojes atómicos pueden mejorar las pruebas de teorías fundamentales sobre cómo funciona el universo, lo que podría conducir a nuevos descubrimientos en física. Pueden ayudar a detectar materia oscura o confirmar si existen constantes en la naturaleza, permitiendo la validación de teorías en física de partículas sin la necesidad de instalaciones de aceleradores de partículas a gran escala.
Precisión láser en el cronometraje
Los relojes atómicos miden el tiempo sintonizando la luz láser a una frecuencia que hace que los electrones salten entre niveles de energía. Los relojes nucleares utilizarían saltos de energía dentro de la pequeña región central del átomo, llamada núcleo, donde chocan partículas llamadas protones y neutrones. Estos saltos de energía son como accionar un interruptor de luz. Una luz láser brillante con la cantidad justa de energía necesaria para realizar este salto puede activar este “interruptor” nuclear.
Un reloj atómico tendría grandes ventajas en cuanto a precisión del reloj. En comparación con los electrones de los relojes atómicos, el núcleo se ve mucho menos afectado por perturbaciones externas como los campos electromagnéticos dispersos. La luz láser necesaria para realizar los saltos de energía en los núcleos es mucho mayor que la frecuencia necesaria para los relojes atómicos. Esta frecuencia más alta, que significa más ciclos de ondas por segundo, está directamente relacionada con un mayor número de “tics” por segundo y, por lo tanto, una medición del tiempo más precisa.
Pero hacer un reloj atómico es muy difícil. Para dar el salto en energía, la mayoría de los núcleos nucleares necesitan recibir rayos X coherentes (una forma de luz de alta frecuencia) a energías mucho más altas que las que la tecnología actual puede producir. Por eso, los científicos se han centrado en el torio-229, un átomo con un salto de energía en su núcleo más corto que cualquier otro átomo conocido, y que requiere luz ultravioleta (que tiene menos energía que los rayos X).
En 1976, los científicos descubrieron este salto de energía del torio, conocido en física como “transición nuclear”. En 2003, los científicos propusieron utilizar esta transición para hacer un reloj, y no lo observaron directamente hasta 2016. A principios de este año, dos equipos de investigación diferentes utilizaron láseres ultravioleta construidos en laboratorio para activar “interruptores” nucleares y medir longitudes de onda. Necesita luz.
En el nuevo trabajo, los investigadores de JILA y sus colegas crean todas las partes esenciales de un reloj: transiciones nucleares de torio-229 para proporcionar los “ticks” del reloj, un láser que iguala con precisión la energía entre los estados cuánticos individuales del núcleo genera saltos; un peine de frecuencia para la medición directa de estos “tics”. Este esfuerzo ha logrado un nivel de precisión que es un millón de veces mayor que las mediciones anteriores basadas en longitudes de onda. Además, compararon directamente esta frecuencia ultravioleta con la frecuencia óptica utilizada en uno de los relojes atómicos más precisos del mundo, que utiliza átomos de estroncio, el primer vínculo directo entre las transiciones atómicas y los relojes atómicos. Este enlace de frecuencia directo y una mayor precisión son un paso importante en el desarrollo de un reloj atómico y su integración con los sistemas de cronometraje existentes.
La investigación ya ha arrojado resultados sin precedentes, incluida la capacidad de observar detalles en la forma del núcleo de torio que nadie había observado antes, similar a ver briznas de hierba individuales desde un avión.
El equipo presenta sus hallazgos en la edición del 4 de septiembre de la revista. la naturaleza Como portada.
Hacia un futuro nuclear
Aunque todavía no es un reloj atómico que funcione, es un paso importante hacia la creación de un reloj que pueda ser portátil y altamente estable. El uso de torio incrustado en un cristal sólido, con menos sensibilidad a las perturbaciones externas del núcleo, potencialmente allana el camino para dispositivos de cronometraje compactos y robustos.
“Imagínese un reloj de pulsera que no perderá ni un segundo incluso si lo deja funcionar durante miles de millones de años”, dijo Jun Yi, físico del NIST y JILA. “Aunque aún no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de salud”.
El equipo de investigación incluyó investigadores de JILA, un instituto conjunto del NIST, y la Universidad de Colorado Boulder. Centro de Viena para la Ciencia y la Tecnología Cuánticas; y IMRA América, Inc.
