La precisión en la medición del tiempo ha alcanzado nuevas fronteras gracias a los avances en la investigación de relojes atómicos. Sin embargo, un equipo de investigadores del JILA, en colaboración con la Universidad Técnica de Viena, está desarrollando un nuevo tipo de reloj que podría superar a sus predecesores: el reloj nuclear. Este innovador dispositivo utiliza una transición nuclear única dentro del átomo de torio-229, que promete una estabilidad sin precedentes, menos susceptible a perturbaciones ambientales que los relojes atómicos actuales.
La investigación, liderada por el profesor Jun Ye, ha dado pasos significativos hacia la creación de este reloj nuclear. En un experimento anterior, publicado como artículo de portada en la revista Nature, el equipo logró medir por primera vez la transición nuclear del torio-229 con la precisión necesaria para utilizarla como referencia de temporización. No obstante, para construir un reloj de alta precisión, es crucial caracterizar completamente cómo responde esta transición a las condiciones externas, especialmente a la temperatura.
Un avance en la caracterización de la transición nuclear
En un artículo reciente, clasificado como «Elección del Editor» en Physical Review Letters, el equipo estudió cómo la energía de los núcleos de torio cambia al calentar el cristal que contiene los átomos a diferentes temperaturas. Este estudio es fundamental, dado que ha revelado que existe una transición que es relativamente insensible a los cambios de temperatura, lo que es deseable para un dispositivo de medición precisa del tiempo. Según el Dr. Jacob Higgins, autor principal del estudio, «Este es el primer paso para caracterizar los sistemas del reloj nuclear».
Los investigadores realizaron pruebas enfriando y calentando el cristal dopado con torio a tres temperaturas distintas: 150K (-123°C), 229K (-44°C) y 293K (temperatura ambiente). Utilizando un láser de comb de frecuencias, midieron cómo la frecuencia de la transición nuclear cambiaba a cada temperatura, observando dos efectos físicos en competencia dentro del cristal. A medida que el cristal se calentaba, se expandía, alterando sutilmente la red atómica y modificando los campos eléctricos que experimentan los núcleos de torio. Este cambio provocó que la transición se dividiera en múltiples líneas espectrales, que se desplazaron en diferentes direcciones según la temperatura.
Sin embargo, a pesar de estos cambios, uno de los efectos resultó ser notablemente menos sensible a la temperatura, lo que sugiere su posible utilidad en aplicaciones de reloj. «Este comportamiento es muy prometedor para aplicaciones de reloj», afirmó Chuankun Zhang, estudiante de posgrado en JILA. «Si podemos estabilizarlo aún más, podría ser un verdadero cambio de juego en la medición precisa del tiempo».
El equipo ahora planea buscar un «punto dulce» de temperatura donde la transición nuclear permanezca casi completamente independiente de la temperatura, lo que proporcionaría condiciones ideales para un futuro reloj nuclear. La investigación no solo se limita a la medición del tiempo; la sensibilidad de la transición nuclear podría permitir investigar nuevas física, como la posible presencia de materia oscura, lo que abriría nuevas vías para estudiar el universo.
En la búsqueda de este nuevo tipo de reloj, la personalización del equipo es esencial. Gracias a la capacidad de JILA para diseñar y fabricar componentes a medida, el equipo ha podido crear piezas críticas para sus experimentos, lo que les ha permitido optimizar su configuración y asegurar resultados más confiables. La investigación en curso promete no solo revolucionar la forma en que medimos el tiempo, sino también ampliar nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales que rigen nuestro universo.
