Reloj nuclear de torio-229 alcanza una estabilidad extraordinaria y abre nuevas pistas sobre la materia oscura
Un reloj nuclear desarrollado por científicos europeos logró operar de manera continua durante más de 24 horas, con una estabilidad equivalente a perder aproximadamente un segundo cada 30 millones de años. Además de su potencial para medir el tiempo con gran precisión, la tecnología podría ayudar a investigar uno de los mayores enigmas del universo: la materia oscura.
Un reloj que utiliza el núcleo del átomo
El dispositivo fue desarrollado por investigadores de la Universidad Técnica de Viena y otras instituciones europeas. Su funcionamiento se basa en el torio-229, un isótopo que permite aprovechar una transición energética de su núcleo atómico para estabilizar automáticamente un láser.
El avance, publicado en la revista científica Nature, destaca por incorporar un sistema de retroalimentación continua que detecta las desviaciones en la frecuencia del láser y las corrige de manera automática.
A diferencia de los relojes atómicos convencionales, que utilizan transiciones energéticas de los electrones, esta tecnología toma como referencia el núcleo del átomo, una estructura mucho más pequeña y menos vulnerable a determinadas perturbaciones externas.
¿Por qué es especial el torio-229?
Uno de los principales obstáculos para construir relojes nucleares es que las transiciones energéticas de los núcleos suelen requerir niveles de energía difíciles de alcanzar con láseres convencionales.
El torio-229 representa una excepción debido a que su transición nuclear ocurre a una energía relativamente baja, accesible mediante radiación ultravioleta de vacío.
Para aprovechar esta propiedad, los investigadores incorporaron millones de núcleos de torio-229 en un pequeño cristal de fluoruro de calcio, mantenido a temperatura ambiente. Posteriormente, iluminaron el material con un láser de una longitud de onda cercana a los 148 nanómetros.
Cuando la frecuencia de la luz coincide con la transición energética buscada, los núcleos absorben la radiación. Si el láser se desvía, cambia la absorción del cristal y el sistema detecta la variación para ajustar automáticamente su frecuencia.
Este mecanismo permite que el propio núcleo funcione como referencia para mantener estable el reloj.
Una precisión extraordinaria, aunque todavía por mejorar
Durante una jornada de funcionamiento continuo, el dispositivo alcanzó una inestabilidad fraccional cercana a \(10^{-15}\), equivalente, de manera aproximada, a una desviación de un segundo en 30 millones de años.
Sin embargo, el resultado no significa que este prototipo ya supere a los relojes atómicos ópticos más avanzados, algunos de los cuales han alcanzado niveles de precisión superiores.
Los investigadores consideran que el rendimiento podría mejorar significativamente mediante cristales de mayor calidad, láseres más potentes y sistemas de detección más eficientes.
Otra ventaja es su diseño compacto: el torio puede integrarse en un cristal sólido de apenas unos milímetros, lo que podría facilitar el desarrollo de relojes nucleares más resistentes y prácticos en el futuro.
La búsqueda de materia oscura entra en una nueva etapa
Más allá de medir el tiempo, los científicos utilizaron el dispositivo para investigar posibles señales de materia oscura ultraligera, una de las hipótesis que buscan explicar la naturaleza de esta sustancia invisible.
Aunque se conocen sus efectos gravitatorios sobre las galaxias y otras estructuras cósmicas, todavía no se ha determinado de qué está compuesta la materia oscura.
Algunos modelos teóricos plantean que podría estar formada por partículas o campos extremadamente ligeros capaces de generar pequeñas oscilaciones periódicas en ciertas constantes fundamentales de la naturaleza.
Si estas variaciones existen, podrían modificar ligeramente las transiciones energéticas de los átomos o núcleos y, por tanto, alterar el ritmo de un reloj de alta precisión.
Compararon el reloj nuclear con uno de iterbio
Para buscar estas posibles señales, el equipo comparó continuamente el reloj de torio-229 con un reloj óptico basado en un ion de iterbio.
El análisis se centró en identificar variaciones periódicas y cambios graduales durante intervalos que iban aproximadamente de 20 segundos a un día.
Los investigadores no detectaron una señal que pudiera atribuirse a la materia oscura. No obstante, las mediciones permitieron establecer nuevas restricciones sobre distintos modelos teóricos de materia oscura ultraligera.
En particular, los resultados mejoraron límites previos para algunos posibles acoplamientos relacionados con la fuerza nuclear fuerte y los quarks, mientras que, para interacciones hipotéticas con los fotones, alcanzaron una sensibilidad comparable con la de algunos de los relojes atómicos más avanzados.
Una herramienta para explorar la física desconocida
El experimento demuestra que un reloj nuclear puede utilizarse no solo para medir el tiempo, sino también para buscar fenómenos físicos que todavía no han sido confirmados.
Si futuras versiones alcanzan una sensibilidad mayor, podrían ayudar a detectar variaciones diminutas en las constantes fundamentales o aportar nuevas pistas sobre la materia oscura.
Aunque el hallazgo no confirma la existencia de nuevas partículas ni resuelve el misterio de la materia oscura, representa un avance tecnológico que amplía las herramientas disponibles para explorar los límites de la física conocida.
Fuente: National Geographic
