Resumen:
Investigadores de la Universidad Técnica de Viena y el Instituto Federal Alemán de Física y Tecnología publicaron resultados experimentales en Nature, demostrando el primer prototipo de reloj nuclear que puede corregir automáticamente la frecuencia del láser utilizando su propia señal de transición nuclear. Utiliza la transición del nivel de energía del núcleo atómico de torio-229 como punto de referencia de tiempo, y el dispositivo experimental ha estado funcionando de manera estable durante más de 24 horas sin intervención manual. Sin embargo, la "diferencia de un segundo en 30 millones de años" en el informe es una conversión de imagen del índice de precisión. Esto no significa que el reloj haya sido medido durante decenas de millones de años, ni que este dispositivo haya alcanzado el nivel más alto disponible actualmente.
Los relojes atómicos tradicionales suelen utilizar las transiciones de niveles de energía de los electrones en la capa exterior de los átomos para mantener el tiempo; Los relojes nucleares colocan la señal de referencia dentro del núcleo. El torio-229 tiene una transición nuclear de baja energía de aproximadamente 8,4 electronvoltios, que puede excitarse mediante un láser ultravioleta de vacío con una longitud de onda de aproximadamente 148 nanómetros. El equipo de investigación incorporó iones de torio en cristales de fluoruro de calcio de tamaño milimétrico, los irradió con luz láser continua a temperatura ambiente y midió la absorción de la luz láser por el cristal para determinar si la frecuencia se desviaba del punto de resonancia, y luego utilizó un circuito de retroalimentación para ajustar automáticamente la luz láser. Los cambios en la señal de absorción de la transición nuclear se pueden detectar en un tiempo más corto, superando las dificultades anteriores de depender de la lectura de fluorescencia y la retroalimentación lenta.
El equipo dijo que la ventaja potencial de esta solución es que el núcleo atómico es mucho más pequeño que el átomo en su conjunto y es teóricamente menos susceptible a perturbaciones externas; En el futuro, se espera que los relojes nucleares alcancen un punto de referencia de frecuencia más sólido y se utilicen para mediciones y pruebas precisas de leyes físicas básicas. Sin embargo, el rendimiento medido del prototipo actual aún está lejos de ser mejor que el de los relojes atómicos ópticos más avanzados. El artículo informa que la inestabilidad de frecuencia fraccionaria en una única operación continua es del orden bajo de 10⁻¹⁴, y la reproducibilidad de frecuencia entre operaciones en diferentes fechas es de aproximadamente 5×10⁻¹³. Después de una conversión intuitiva de los resultados del artículo, la Sociedad Estadounidense de Física cree que la inestabilidad medida del Reloj de Viena equivale aproximadamente a un error de un segundo cada 3 millones de años. La Universidad Técnica de Viena estima que es de unos 30 millones de años por segundo utilizando un indicador cercano a 10⁻¹⁵. Los indicadores y las condiciones de funcionamiento correspondientes a las dos conversiones no son exactamente iguales, por lo que "un segundo en 30 millones de años" no debe considerarse como una precisión absoluta comprobada ni directamente equivalente al mejor reloj atómico.
El equipo de investigación ha utilizado este conjunto de relojes nucleares para buscar cambios en la energía de transición nuclear que puedan ser causados por la materia oscura ultraligera. No se encontró ninguna señal significativa en la escala de tiempo de observación de 20 segundos a un día, pero los límites derivados de esto pueden competir con algunos experimentos con relojes atómicos. El mismo número de Nature también publicó otro conjunto de relojes nucleares de torio-229 desarrollados independientemente por un equipo de la Universidad de Tsinghua, lo que demuestra que esta dirección se está moviendo desde la medición del espectro de transición nuclear a los dispositivos de cronometraje reales. Los dos prototipos siguen siendo equipos experimentales de precisión y las mejoras posteriores requerirán láseres ultravioleta de vacío más potentes, cristales más estables y uniformes y una mejor reproducibilidad de frecuencia entre lotes.
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