Los primeros relojes nucleares acaban de empezar a funcionar

Tu mapa es un reloj

El punto azul del mapa de tu móvil no mide realmente distancias. Mide tiempo. Cada satélite ge pe ese lleva varios relojes atómicos, y tu móvil calcula cuánto tardó en llegar cada señal. Las señales de radio viajan a la velocidad de la luz: unos treinta centímetros por milmillonésima de segundo.

Si te equivocas en una millonésima de segundo, tu posición se desvía unos trescientos metros.

Dos relojes nucleares, una semana

El siete de octubre, dos equipos presentaron en Nature relojes basados en núcleos atómicos. Aquello fue más que un hito de la física. Ambos equipos creen que este nuevo tipo de reloj podría superar algún día a los actuales. Pero los primeros no alcanzan los mejores relojes atómicos, y las razones importan tanto como el resultado.

Repetir y contar

Todo reloj necesita algo que se repita y algo que cuente esas repeticiones. El péndulo oscila; el cuarzo de un reloj vibra treinta y dos mil setecientas sesenta y ocho veces por segundo. Cuanto más rápida y regular sea la repetición, más precisa será la medida del tiempo.

El segundo atómico

Hoy, el segundo oficial lo fija un átomo. Son nueve mil ciento noventa y dos millones seiscientas treinta y una mil setecientas setenta oscilaciones de una señal de microondas a la que responde el cesio. Relojes de fuente como este del Nist lanzan una nube de cesio enfriada con láser y verifican que la frecuencia de microondas siga ajustada a los átomos. Los nuevos relojes ópticos usan luz: oscila decenas de miles de veces más rápido que las microondas.

En dos mil veinticuatro, un reloj de estroncio de JILA registró una incertidumbre sistemática inferior a una parte en un trillón. Como los relojes ópticos superan al cesio, el organismo internacional que define el segundo prepara redefinirlo, con una decisión prevista para dos mil treinta.

El punto débil: los electrones

Todos escuchan lo mismo: electrones saltando entre niveles de energía en la capa externa del átomo. Fuera, los electrones pueden sufrir perturbaciones de campos eléctricos y magnéticos externos y del calor. Por eso los mejores relojes atómicos mantienen pocos átomos en el vacío, los enfrían con láser y los protegen bien. El núcleo es otra cosa.

Es decenas de miles de veces menor que el átomo y mucho menos sensible a esas perturbaciones. Los núcleos suelen cambiar de energía solo con rayos gamma de alta energía, fuera del alcance de un láser de mesa.

Torio-229

El torio es la excepción. Un isótopo raro, el torio doscientos veintinueve, tiene un estado excitado apenas unos ocho coma cuatro electronvoltios por encima del estado fundamental. Esa diferencia corresponde a ultravioleta de vacío con una longitud de onda de unos ciento cuarenta y ocho nanómetros, al alcance del láser. Los físicos propusieron un reloj nuclear con esta transición en dos mil tres.

El estado excitado se confirmó en dos mil dieciséis; su energía se midió con luz en dos mil veintidós. La primera excitación láser en un cristal llegó en dos mil veinticuatro.

Un reloj dentro de un cristal

Como el núcleo está tan protegido, puede alojarse dentro de un sólido. Ambos equipos introdujeron torio doscientos veintinueve en cristales de fluoruro de calcio de pocos milímetros, mantenidos cerca de la temperatura ambiente. El material escasea: el equipo chino cultivó un cristal en una solución con solo uno coma cuatro microgramos del isótopo. El torio doscientos veintinueve nace de la desintegración del uranio doscientos treinta y tres.

Según Tsinghua, esa escasez apenas permitía cultivar un cristal, probarlo y volver a intentarlo.

Cerrar el lazo

Antes podían excitarse los núcleos de torio, pero otro reloj controlaba el láser. Viena cerró el circuito: ahora los propios núcleos controlan el láser. El láser atraviesa el cristal, y los núcleos absorben luz solo con la frecuencia exacta. Si la frecuencia cambia, se absorbe menos luz; un detector lo capta y la electrónica la corrige.

Este diagrama publicado muestra el cristal, el detector y la vía de realimentación que cierra el circuito. El reloj funcionó un día entero sin que nadie lo tocara.

Contar los tics

Un reloj debe contar sus pulsos, y aquí hay un problema. La luz de ciento cuarenta y ocho nanómetros oscila unos dos mil billones de veces por segundo: demasiado rápido para contarlo directamente con electrónica. Por eso usan un peine de frecuencias: un láser cuyos colores espaciados regularmente actúan como engranajes, reduciendo la frecuencia hasta hacerla contable electrónicamente. En Viena, un enlace de fibra de unos diez kilómetros permitió compararlo con un reloj de ion de iterbio de la oficina austríaca de metrología.

En la Universidad Tsinghua, otro equipo construyó su propio reloj nuclear con otra forma de generar el ultravioleta. Dos cristales cultivados por separado dieron frecuencias iguales hasta aproximadamente una parte en diez billones.

¿Qué tan estable es?

Para juzgar un reloj, se compara con otro y se mide cuánto oscila su frecuencia. Este gráfico del artículo de Viena muestra esa oscilación, promediada en intervalos cada vez más largos. Cuanto más se promedia, más baja la curva: unas dos partes en cien billones tras unas horas. El comunicado de la universidad expresa el resultado como un error de aproximadamente un segundo en treinta millones de años, extrapolado de un día de funcionamiento.

Dos relojes, dos fortalezas

Los dos relojes no son igual de estables. En este gráfico de Tsinghua, las rectas ajustadas bajan con promedios más largos, como en Viena. Su mejor configuración fluctúa unas seis veces menos que el reloj vienés con igual tiempo de promedio. El de Tsinghua se comparó con un máser de hidrógeno y una cavidad láser ultraestable, unidos por cuatro kilómetros de fibra.

El de Viena cerró su propio circuito, funcionó un día entero y midió su variación entre días.

Todavía por detrás

Suena extremo, pero los mejores relojes ópticos siguen muy por delante. Viena lo describe como un primer prototipo, aún por debajo de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo. Sus autores prevén mejorar la estabilidad unos cuatro órdenes de magnitud en futuros dispositivos: es una previsión, no una medición.

¿La misma respuesta cada día?

Otro límite aparece entre días, no durante una misma sesión. Cada sesión exige realinear el láser: el haz atraviesa una zona algo distinta del cristal. Cada zona dio frecuencias algo distintas: entre días, los resultados solo concordaban hasta unas cinco partes en diez billones. Un reloj portátil debe dar la misma respuesta cada vez que se enciende.

De vuelta a tu teléfono

¿Llegará esto algún día al mapa de tu móvil? Tu móvil no lleva ningún reloj atómico. Con señales de al menos cuatro satélites, calcula su posición y el error de su reloj. Relojes atómicos aún mejores en tierra corrigen los relojes de los satélites.

Tsinghua propone cristales de torio para crear relojes compactos y resistentes, que podrían beneficiar a satélites o redes. Ningún artículo anuncia mejoras del ge pe ese; la precisión del móvil, unos cinco metros, depende también de la atmósfera, los edificios y el receptor.

Relojes que miden la altura

Mejores relojes permiten medir alturas: el tiempo pasa algo más rápido lejos de la Tierra. En dos mil diez, el Nist comparó dos relojes ópticos y detectó el cambio al subir uno unos treinta y tres centímetros. Medir así cómo varía la gravedad terrestre se llama geodesia y exige llevar relojes al lugar de medición. Un reloj resistente en un cristal podría ayudar algún día, pero en relojes nucleares sigue siendo una posibilidad, no un resultado.

Un detector de materia oscura

La física se beneficiaría antes. La transición del torio es inusualmente sensible a mínimos cambios en las fuerzas que unen la materia. Viena buscó en un día de datos la oscilación tenue y regular que causarían ciertas formas de materia oscura. No hubo señal, pero este prototipo ya establece límites comparables a los de los mejores relojes atómicos.

Qué seguir de cerca

¿Qué determina si los relojes nucleares salen del laboratorio? Tres cosas: que la frecuencia sea idéntica cada día, que la estabilidad mejore realmente miles de veces y que sea más fácil conseguir torio doscientos veintinueve y láseres ultravioletas. La próxima redefinición del segundo se prepara en torno a relojes atómicos ópticos, no nucleares. Por ahora, el núcleo ya demostró que marca la hora; falta ver si marca la misma en todas partes.