El reloj más preciso del Universo

Investigadores desarrollan una máquina cien veces más exacta que los relojes atómicos actuales y que solo se desajusta una décima de segundo en 14.000 millones de años, la edad del Cosmos

 El nuevo reloj será cien veces más exacto que los atómicos

 Un equipo internacional de científicos trabaja en la construcción del que puede ser el reloj más preciso del Universo. La máquina, cien veces más exacta que los actuales relojes atómicos, tiene un margen de imprecisión de una décima de segundo en 14.000 millones de años -la edad del Cosmos-, según ha informado el Instituto Tecnológico de Georgia (EE.UU.). El ingenio, que utiliza un solo ion de torio para conseguir su precisión, podría ser útil en ciertas formas de comunicaciones confidenciales y para el estudio de teorías fundamentales de la Física. Además, podría mejorar el sistema de posicionamiento global (GPS), que se sustenta ahora en relojes atómicos, y otra amplia gama de importantes mediciones. La investigación aparecerá publicada en la revista Physical Review Letters.

 

«Si le das a la gente un reloj mejor, lo va a usar», dice Alex Kuzmich, profesor en la Escuela de Física en el Instituto de Tecnología de Georgia y uno los autores de la investigación. «Para la mayoría de las aplicaciones, los relojes atómicos que tenemos son lo suficientemente precisos, pero hay otras aplicaciones en las que tener un reloj mejor sería ofrecer una ventaja real».

Una trampa de iones

Los relojes mecánicos utilizan un péndulo para proporcionar las oscilaciones necesarias para controlar el tiempo. En los relojes modernos, son los cristales de cuarzo los que proporcionan oscilaciones de alta frecuencia. La precisión de los atómicos, sin embargo, se debe a las oscilaciones de los electrones en los átomos inducidas por un rayo láser. Sin embargo, estos electrones pueden resultar afectados por campos magnéticos y eléctricos, lo que deja a los relojes atómicos ligeramente a la deriva alrededor de unos cuatro segundos en el tiempo de vida del Universo.

Debido a que los neutrones son mucho más pesados que los electrones y están densamente agrupados en el núcleo atómico, son menos susceptibles a estas perturbaciones ambientales. Un reloj nuclear, por lo tanto, debería verse menos afectado por factores externos que su primo atómico. «En nuestro trabajo, mostramos que mediante el uso de rayos láser para orientar a los electrones de una manera muy específica, podemos usar el neutrón de un núcleo atómico como el péndulo del reloj», explica Corey Campbell, del laboratorio Kuzmich y principal autor del estudio. 

Para crear las oscilaciones, los investigadores planean utilizar un láser en frecuencias de petaherzios - 10 elevando a la 15 potencia o 1.000.000.000.000.000 oscilaciones por segundo - para impulsar el núcleo de un ion de torio a torio 229 en un estado de energía más elevado. La sintonización de un láser que cree esos estados de mayor energía permitiría a los científicos establecer su frecuencia de manera muy precisa, y esa frecuencia se utilizaría para marcar el tiempo en lugar del tictac de un reloj o la oscilación de un péndulo.

Frecuencia exacta

Este reloj nuclear tiene que ser mantenido a una temperatura muy baja de decenas de microkelvins. Para producir y mantener estas temperaturas, los físicos utilizan normalmente un láser, pero en este caso suponía un problema, ya que la luz del láser podría originar desajustes. Los científicos solucionaron el caso con otro ion de torio refrigerante. 

Los cálculos sugieren que este reloj nuclear podría tener una precisión de 10 (-19), en comparación con 10 (-17) para el mejor reloj atómico. Aunque el equipo de investigación cree que ha demostrado el potencial para hacer un reloj nuclear -propuesto por primera vez en 2003 - todavía pasará un tiempo antes de que puedan producir uno. El gran reto es determinar la frecuencia exacta de las emisiones de láser ultravioleta necesaria para excitar el núcleo de torio. «La gente ha estado buscando esto durante 30 años», dice Campbell. «Es peor que buscar una aguja en un pajar. Es más como buscar una aguja en un millón de pajares».

Kuzmich cree que ese problema se resolverá, lo que permitirá a los físicos a pasar a la siguiente generación de relojes extraordinariamente precisos. «Nuestra investigación muestra que la construcción de un reloj nuclear de esta manera es a la vez útil y factible», asegura. «Ahora tenemos las herramientas y los planes necesarios para avanzar en la realización de este sistema».