Núcleos atómicos como cronometradores: una nueva tecnología que será más precisa que los relojes atómicos (Crédito: Oliver Dieckmann, TU Viena)
Viena, Austria – Desde los relojes solares hasta los atómicos, la búsqueda de la humanidad para medir el tiempo ha sido un viaje de precisión cada vez mayor. Ahora, ese viaje ha alcanzado una nueva frontera con la creación del primer reloj atómico del mundo, un dispositivo que promete revolucionar todo, desde la navegación GPS hasta nuestra comprensión de la física utilizando un único núcleo atómico.
Este hito fue reportado en la revista. naturalezamarcó el comienzo de una nueva era en el cronometraje de precisión. El progreso traspasa los límites de lo que es posible en la ciencia de la medición y nos acerca un paso más a desentrañar los misterios del universo.
En el corazón de este desarrollo hay un extraño átomo llamado torio-229. A diferencia de la mayoría de los núcleos nucleares, que requieren grandes cantidades de energía para ser excitados, el torio-229 tiene un estado de excitación nuclear que se puede alcanzar mediante luz ultravioleta. Esta propiedad única lo convierte en un candidato perfecto para fabricar un reloj atómico, un reloj que potencialmente puede superar incluso a los relojes atómicos más avanzados disponibles en la actualidad.
El avance es el resultado de una colaboración entre investigadores de JILA, un instituto conjunto de la Universidad de Colorado Boulder y científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien). Su trabajo combina la última tecnología láser con relojes atómicos precisos y cristales especialmente diseñados que contienen átomos de torio.
«Con este primer prototipo hemos demostrado que el torio puede utilizarse como cronometrador para mediciones de altísima precisión. Sólo queda por hacer el trabajo de desarrollo técnico, que no se espera que presente grandes obstáculos». Thorsten Schomm, de TU Wine, uno de los investigadores que lidera el proyecto, dijo en un comunicado de prensa.
Para comprender la importancia de este logro, es útil saber cómo trabajan nuestros mejores cronometradores actuales. Los relojes más precisos de la actualidad, conocidos como relojes atómicos, utilizan las oscilaciones de la luz láser para contar el tiempo, de forma muy parecida a un péndulo que hace tictac muy rápido. Estas oscilaciones se estabilizan acoplándolas a la transferencia de energía de átomos como el cesio o el estroncio.
El reloj atómico lleva este concepto un paso más allá. En lugar de utilizar transiciones en la capa electrónica de un átomo, utiliza transiciones dentro del propio núcleo atómico. Esto es un gran problema porque los núcleos atómicos son mucho más pequeños que los átomos y se ven mucho menos afectados por perturbaciones externas como los campos electromagnéticos. En teoría, esto significa que un reloj atómico puede ser mucho más preciso y estable que un reloj atómico.
El camino hacia este progreso ha sido largo y difícil. Durante décadas, los científicos sabían que el torio-229 tenía potencial para ser un reloj nuclear, pero necesitaba la energía adecuada para excitar su núcleo. No fue hasta principios de este año que el equipo de Schumm en la Universidad Técnica de Viena finalmente logró medir esta energía con precisión y utilizar un láser para cambiar los núcleos de torio entre dos estados cuánticos.
Basándose en este éxito, el equipo de JILA, liderado por Jun Yu, dio el siguiente paso importante. Desarrollaron un sofisticado sistema que combina un reloj atómico de estroncio ultraestable con una configuración láser especial llamada peine de frecuencia. Esta configuración les permitió generar la luz ultravioleta precisa necesaria para fusionar núcleos de torio en un cristal.
«Imagínese un reloj de pulsera que no perdería ni un segundo incluso si lo dejara funcionar durante miles de millones de años», dice Ye, físico del NIST y JILA. «Aunque todavía no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de salud».
El cristal en sí es una maravilla de la ingeniería. Desarrollado durante varios años en TU Wien, contiene un núcleo de torio-229 en la configuración correcta para interactuar con la luz láser.
«Este es el elemento central de la experiencia del cristal», explica Schumm.
Cuando los investigadores iluminaron el cristal con su luz ultravioleta especialmente diseñada, pudieron observar que los núcleos de torio cambiaban entre estados de energía. Al medir la frecuencia exacta de la luz que provocó este cambio, crearon efectivamente el primer reloj atómico del mundo.
La precisión lograda en este experimento es asombrosa. El equipo pudo medir la diferencia de energía entre los dos estados atómicos con una precisión de unos pocos kilohercios, un millón de veces más preciso que las mediciones anteriores. Este nivel de precisión equivale a medir la distancia entre Nueva York y Los Ángeles con la punta de un cabello humano.
Además, si el reloj abarcara toda la edad del universo (unos 13.800 millones de años), se retrasaría sólo 0,02 segundos. Tiene una precisión de aproximadamente 99,99999999999999%. Este nivel de precisión supera lo que era posible hace apenas unos años y nos acerca a la apertura de un nuevo ámbito de la física fundamental.
Las implicaciones de esta investigación son de tal alcance que simplemente decir la hora es realmente bueno. Pueden utilizarse para detectar materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye gran parte del universo pero que nunca ha sido observada directamente. También pueden ayudar a los científicos a comprobar si las constantes fundamentales de la naturaleza son constantes o si varían con el tiempo, una cuestión que tiene profundas implicaciones para nuestra comprensión del universo.
En términos más prácticos, los relojes atómicos pueden conducir a mejoras significativas en la tecnología que utilizamos todos los días. Los sistemas GPS pueden ser aún más precisos y potencialmente señalar ubicaciones al milímetro. Las velocidades de Internet pueden aumentar y las conexiones de red pueden ser más confiables. La comunicación digital puede ser más segura.
A pesar de estas interesantes posibilidades, es importante señalar que este primer reloj atómico es todavía un prototipo. Todavía no supera la precisión de los mejores relojes atómicos. Sin embargo, los investigadores creen que con un mayor desarrollo, los relojes atómicos pronto superarán a sus homólogos atómicos.
«Nuestro objetivo era desarrollar una nueva tecnología. Una vez que la tenemos, el aumento de la calidad es algo natural, siempre es así», afirma Schum. «Los primeros coches no eran más rápidos que los coches. Se trataba de introducir un nuevo concepto. Y eso es lo que tenemos ahora con el reloj atómico.
El camino desde este prototipo hasta un reloj atómico práctico y ampliamente utilizado requerirá más investigación e ingeniería. Los científicos tienen que encontrar formas de hacer que el sistema sea más flexible y robusto. También necesitarán estudiar y mitigar diversas fuentes de error e inestabilidad.
Sin embargo, este logro representa un hito importante en la búsqueda de un cronometraje cada vez más preciso. A medida que ampliamos los límites de la ciencia cuantitativa, abrimos nuevas vías para explorar la naturaleza fundamental de nuestro universo y desarrollar tecnologías que parecían ciencia ficción hace unas décadas.
resumen del articulo
método
Los investigadores utilizaron un sofisticado sistema que combinaba un reloj atómico de estroncio ultraestable con una configuración láser especial llamada peine de frecuencia. Esta configuración les permitió generar la luz ultravioleta precisa necesaria para excitar los núcleos de torio-229 incrustados en un cristal de fluoruro de calcio.
El peine de frecuencia actúa como una regla de luz de alta precisión, lo que permite a los investigadores contar el número de ciclos de ondas ultravioleta que producen saltos de energía en los núcleos de torio. Escanearon la frecuencia del peine en busca de signos de que los núcleos de torio habían absorbido luz, lo que indicaba que habían encontrado la frecuencia de transición correcta.
Resultados importantes
El experimento reveló la diferencia de energía entre los dos estados atómicos del torio-229 con una precisión sin precedentes. El equipo midió esta diferencia con una precisión de unos pocos kilohercios, un millón de veces más precisa que las mediciones anteriores. Expresaron sus resultados como una relación de frecuencia entre la transferencia de torio y la frecuencia del reloj de estroncio, lo que permite una fácil comparación con otras mediciones. Los investigadores también pudieron observar detalles en la forma del núcleo de torio que nunca antes se habían visto.
Limitaciones del estudio.
Básicamente, este trabajo tiene algunas limitaciones. El prototipo actual aún no supera la precisión de los mejores relojes atómicos. Los núcleos de torio estaban incrustados en un cristal, lo que afecta a la frecuencia de transición y puede introducir incertidumbre. Además, este experimento aún no demuestra un reloj atómico práctico y completamente funcional; este es un paso importante en esa dirección, pero se necesita más trabajo para crear un dispositivo de cronometraje completo y robusto.
Discusión y sugerencias
Esta investigación representa un avance importante hacia la creación de un reloj atómico práctico basado en torio-229. Un reloj de este tipo podría ser mucho más preciso y estable que los relojes atómicos actuales, con posibles aplicaciones en pruebas de física básica, sistemas GPS mejorados y navegación en el espacio profundo.
La alta precisión lograda en este trabajo también permite una mejor comprensión del propio núcleo de torio y cómo interactúa con su entorno. La técnica del equipo para la medición y el control de frecuencia puede tener aplicaciones más allá del torio, beneficiando potencialmente la espectroscopia de precisión y otras áreas de la ciencia cuántica.
Financiamiento y divulgación
Esta investigación fue apoyada por varias agencias de financiación, incluida la Oficina de Investigación del Ejército, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Algunos investigadores reciben apoyo adicional de instituciones como el Consejo Nacional de Investigaciones y la Fundación Humboldt. El cristal dopado con torio se desarrolló con el apoyo de subvenciones de investigación europeas. Los autores no declararon intereses en competencia, asegurando la integridad e independencia de la investigación.
