El torio guía relojes; los cristales los desvían

Por primera vez, un láser mantiene su frecuencia gracias al núcleo de un átomo y no a sus electrones. Lo han conseguido equipos de Viena y Pekín con sendos relojes, cuyos resultados se publicaron en Nature el 7 de octubre (Reuters). El núcleo de torio corrige ahora el láser de forma continua, lo que proporciona a los físicos un instrumento nuevo. Sin embargo, los pequeños cambios de frecuencia que provocan los cristales donde se inmoviliza el torio impiden que el reloj mida el tiempo de forma fiable.

Todo reloj combina un ritmo y una corrección. Un péndulo oscila y el relojero lo ajusta cuando se desfasa. En un reloj atómico, la física se encarga de ese ajuste: un láser se compara continuamente con una transición, es decir, un salto entre dos estados de energía que absorbe luz a una frecuencia característica. Esa frecuencia es extremadamente estable, aunque el entorno del átomo puede alterarla ligeramente.

En los relojes atómicos convencionales, el salto lo da un electrón. El torio-229 es excepcional porque su núcleo tiene una transición a la que puede llegar la luz de un láser ultravioleta, mientras que la mayoría de las transiciones nucleares requieren radiación mucho más energética. Como los núcleos son diminutos, en principio los afectan menos los campos eléctricos y magnéticos externos que a las nubes de electrones que los rodean (Physics World).

Cuando el núcleo toma el control

Los dos equipos incrustaron torio-229 en pequeños cristales de fluoruro de calcio e hicieron pasar por ellos un láser ultravioleta de frecuencia muy precisa. Cuando alcanza la frecuencia exacta, los núcleos absorben algo más de luz. El sistema de control desplaza el láser a uno u otro lado del pico de absorción, determina en qué lado se encuentra y corrige su frecuencia para acercarla de nuevo al centro (artículo de Viena en Nature, artículo chino en Nature).

El sistema funciona como el asistente de mantenimiento de carril de un coche. Una cámara detecta las marcas de la carretera y el sistema hace pequeños ajustes al volante para mantener el vehículo entre ellas. En el reloj, la señal de absorción hace de cámara y el controlador del láser, de volante.

Ese bucle de realimentación es el avance. En 2024 ya se había conseguido inducir la transición con luz láser (Physical Review Letters). Entonces, la señal se detectaba normalmente a través del lento resplandor que dejan los núcleos excitados, que llega demasiado tarde para corregir el láser instante a instante. Encontrar una emisora de radio una vez no es lo mismo que mantener la sintonía; la absorción directa permite esto último.

Los dos equipos llegaron al resultado por separado. La TU Wien describe su dispositivo como un reloj nuclear autoestabilizado (TU Wien), mientras que el equipo chino trabajó bajo la dirección de la Universidad Tsinghua (Tsinghua). Dos dispositivos construidos de forma independiente respaldan mejor la idea que uno solo.

Estables, pero aún imprecisos

Los especialistas evalúan dos cualidades distintas. La estabilidad indica si un reloj mantiene un ritmo uniforme de un instante a otro; en ese aspecto, ninguno de los prototipos iguala aún a los relojes atómicos ópticos ya establecidos. La exactitud indica si el reloj funciona con una frecuencia equivocada, como uno que avanza con regularidad, pero marca cinco minutos de más.

El cristal complica la exactitud. Cada núcleo de torio ocupa un punto distinto del cristal, donde las tensiones locales o los defectos pueden alterar su frecuencia característica. Por eso, la lectura puede variar según el punto por el que pase el láser. El equipo de Pekín encontró un indicio alentador: dos cristales cultivados por separado dieron frecuencias muy parecidas (artículo chino en Nature). Ninguno de los dos equipos ha presentado todavía un análisis completo de todos los efectos que podrían sesgar la frecuencia.

A la escucha de la materia oscura

Aunque todavía no sea un reloj perfecto, el dispositivo ya resulta útil para los físicos. Algunas teorías sostienen que la materia oscura, el material invisible que constituye la mayor parte de la masa del universo, podría alterar de forma leve y rítmica las fuerzas que determinan estas frecuencias. Un reloj nuclear y otro basado en electrones notarían ese efecto de manera distinta, de modo que la relación entre sus ritmos subiría y bajaría con regularidad.

Viena hizo funcionar su reloj de torio junto a un reloj atómico convencional para buscar precisamente esa oscilación. No encontró ninguna señal. Según los autores, el resultado descarta algunos modelos concretos de materia oscura, pero no la existencia de la materia oscura en general (artículo de Viena en Nature).

La definición oficial del segundo sigue basándose en átomos de cesio (BIPM), y estos prototipos no la cambiarán a corto plazo. Lo que han demostrado es que un núcleo puede guiar un reloj en funcionamiento. Para convertirlo en un instrumento fiable habrá que conseguir que los cristales sujeten el torio sin alterar su frecuencia, un problema que los equipos que cultivan esos cristales en Viena y Pekín están en condiciones de resolver.