Relojes de torio aún lejos de los ópticos

Dos equipos, en Viena y Pekín, han construido los primeros relojes que mantienen un láser ajustado a una transición dentro de un núcleo atómico, usando torio-229 como referencia (Reuters). La idea, planteada desde hace tiempo, ya funciona en el laboratorio. Kyle Beloy, físico del NIST, dijo a Chemical & Engineering News que los prototipos siguen estando «a varios órdenes de magnitud» de los mejores relojes ópticos atómicos en exactitud y estabilidad (C&EN).

Los físicos buscan una referencia nuclear porque el núcleo responde a fuerzas distintas de las que actúan sobre los electrones en los relojes atómicos convencionales. Comparar ambos tipos de reloj abre una nueva vía para comprobar si las leyes de la naturaleza se mantienen perfectamente constantes.

Cómo se convierte un cristal en un reloj

Los dos equipos hacen pasar luz ultravioleta de un láser por cristales dopados con torio-229 y buscan una leve caída en la luz que sale (To Brief). Esa caída aparece cuando el láser alcanza la frecuencia exacta que absorben los núcleos. Los físicos llaman resonancia a ese punto preciso.

Encontrar la caída una vez es fácil comparado con mantenerse en ella. Por eso, los equipos comprueban la absorción justo por encima y por debajo de la frecuencia elegida. Si el láser está justo en el centro, ambos lados absorben lo mismo. Si se desvía, uno absorbe más que el otro, y ese desequilibrio indica al sistema de control en qué dirección debe reajustarlo.

Imaginemos a alguien en la cima de una colina cubierta de niebla. No ve la cumbre, pero un paso a la izquierda y otro a la derecha le indican hacia dónde baja el terreno. Esa corrección constante convierte el láser en un reloj.

Tres formas de que un reloj se quede corto

Una báscula de baño y una pesa de calibración ayudan a distinguir tres conceptos. La estabilidad indica cuánto fluctúa la lectura mientras la pesa permanece en la báscula. La reproducibilidad mide si mañana la báscula marca lo mismo para esa misma pesa. La exactitud indica si la cifra coincide con su masa real.

Para medir la estabilidad, los físicos usan un «coeficiente de inestabilidad»: cuánto varía el ritmo de los pulsos, promediado a lo largo del tiempo. Cuanto más bajo, mejor. Pekín comunicó un valor de 5 × 10⁻¹³ a partir de un registro de 3,8 horas (manuscrito de Pekín). El reloj de Viena funcionó sin supervisión durante un día entero y registró 3 × 10⁻¹² (artículo de Nature sobre Viena).

A modo de comparación, un reloj atómico de iones de aluminio publicado alcanza alrededor de 3,5 × 10⁻¹⁶ (artículo sobre el reloj de iones de aluminio, registro del NIST). Cada salto en el exponente representa una diferencia de diez veces, la distancia a la que se refiere Beloy. Los dos equipos que trabajan con núcleos usaron montajes y tiempos de promediado distintos, así que la cifra más baja de Pekín no convierte a su reloj en el mejor de los dos.

Estas cifras solo reflejan las fluctuaciones a corto plazo. Ningún equipo ha presentado todavía un cálculo completo de la exactitud que incluya todos los efectos capaces de desviar el reloj de su frecuencia real. Por tanto, aún no es posible cuantificar la diferencia de exactitud.

Un objetivo que no deja de moverse

El pico de absorción medido también es ancho. El que eligió Pekín abarcaba unos 27 kilohercios (Physics World). Un pico ancho es un objetivo difuso: al sistema de control le cuesta más encontrar su centro exacto.

La segunda dificultad apareció en Viena. El equipo desplazó el haz del láser entre cinco puntos del mismo cristal y observó que el centro de la resonancia variaba hasta unos 1,7 kilohercios, cuando la dispersión aleatoria de las mediciones solo explicaría unos 0,13 kilohercios (manuscrito de Viena). En otras palabras, la frecuencia de referencia aparente cambiaba según dónde incidiera el haz, como una báscula que marca distinto según el lugar donde se apoye la pesa.

El equipo aún no ha determinado la causa y propone, entre otras soluciones, repetir exactamente el recorrido del haz. Esa irregularidad ayuda a explicar por qué las frecuencias de Viena solo coincidieron con una precisión de unos 5 × 10⁻¹³ entre distintos días (artículo de Nature sobre Viena), una precisión menor que la que sugiere cada medición por separado.

Viena y Pekín han demostrado que los núcleos de un cristal pueden guiar un láser y mantenerlo ajustado durante horas, incluso un día entero. La estabilidad medida sigue muy por detrás de la de los principales relojes ópticos y todavía no se ha evaluado su exactitud. El segundo oficial sigue definido por el átomo de cesio (BIPM). El siguiente paso está claro: repetir las mediciones en distintos días y con varios dispositivos, contabilizar todos los desplazamientos sistemáticos y, después, comparar durante periodos largos estos relojes con los ópticos.