Un equipo internacional de investigadores ha dado un paso decisivo hacia una nueva generación de relojes atómicos más precisos. En el láser de rayos X europeo XFEL, los investigadores han creado un generador de impulsos más preciso basado en el elemento escandio que puede tener una precisión de un segundo en 300 mil millones de años, lo que es aproximadamente mil veces más preciso que el actual reloj atómico estándar basado en cesio. El equipo presentó sus resultados el 27 de septiembre en la revista Nature.

Representación artística de un reloj nuclear de escandio: los científicos utilizaron pulsos de rayos X del XFEL europeo para estimular un proceso en el núcleo de escandio que genera una señal de reloj con una precisión sin precedentes de un segundo en 300 mil millones de años. Fuente: XFEL europeo/Instituto Helmholtz Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger

Mecanismos actuales del reloj atómico

Los relojes atómicos son actualmente los cronometradores más precisos del mundo. Estos relojes utilizan electrones en capas atómicas de elementos químicos, como el cesio, como generadores de impulsos para definir el tiempo. Estos electrones pueden impulsarse a niveles de energía más altos utilizando microondas de frecuencias conocidas. Al hacerlo, absorben la radiación de microondas.

El reloj atómico emite microondas en los átomos de cesio y ajusta la frecuencia de la radiación para maximizar la absorción de las microondas; Los expertos llaman a esto resonancia. Los osciladores de cuarzo que generan microondas se pueden estabilizar con ayuda de la resonancia, lo que permite que los relojes de cesio tengan una precisión de un segundo durante 300 millones de años.

La amplitud de la resonancia utilizada es crucial para la precisión de un reloj atómico. Los relojes atómicos de cesio actuales ya utilizan resonancias muy estrechas; Los relojes atómicos de estroncio son aún más precisos, con una precisión de sólo un segundo cada 15 mil millones de años. Es prácticamente imposible lograr más mejoras con este método de excitación electrónica. Por eso, equipos de todo el mundo han estado trabajando durante años en el concepto de relojes "nucleares", que utilizan transiciones en los núcleos atómicos como generadores de impulsos, en lugar de transiciones en las capas atómicas. Las resonancias nucleares son mucho más violentas que las resonancias de los electrones en las capas atómicas, pero también son más difíciles de excitar.

Avance traído por el escandio

En el XFEL europeo, el equipo ahora puede inspirar transformaciones prometedoras en los núcleos del elemento escandio, que está disponible en forma de láminas metálicas de alta pureza o del compuesto dióxido de escandio. Esta resonancia requiere rayos X con una energía de 12,4 keV (unas 10.000 veces la energía de la luz visible) y una anchura de sólo 1,4 femtoelectronvoltios (feV). Esto es una billonésima parte de un electrón voltio, aproximadamente una décima parte de la energía de excitación (10-19). Esto hace posible una precisión de 1:10.000.000.000.000.

"Esto equivale a un segundo en 300 mil millones de años", afirma el investigador del DESY Ralf Röhlsberger, que trabaja en el Instituto Helmholtz de Jena, una institución conjunta del Centro Helmholtz para la investigación de iones pesados ​​GSI, el Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR) y el Helmholtz Zentrum. .

Aplicaciones y potencial futuro

Los relojes atómicos tienen muchas aplicaciones que se benefician de una mayor precisión, como el posicionamiento preciso mediante navegación por satélite. “El potencial científico de la resonancia de escandio se descubrió hace más de 30 años”, informó Yuri Shvyd’ko, líder del proyecto del experimento y del Laboratorio Nacional Argonne de Estados Unidos. "Sin embargo, hasta ahora, ninguna fuente de rayos X ha sido capaz de emitir luz lo suficientemente brillante dentro de la estrecha línea de 1,4feV del escandio", dijo Anders Madsen, científico jefe de la estación experimental europea XFELMID donde se llevó a cabo el experimento. "Sólo los láseres de rayos X como el XFEL europeo han podido cambiar esta situación."

En este innovador experimento, el equipo iluminó una lámina de escandio de 0,025 mm de espesor con un láser de rayos X y pudo detectar el resplandor característico emitido por los núcleos excitados, una clara evidencia de las líneas de resonancia extremadamente estrechas del escandio.

Para la construcción de relojes atómicos también es importante conocer con precisión la energía de resonancia, es decir, la energía de la radiación láser de rayos X con la que se produce la resonancia. La supresión avanzada de ruido extremo y la óptica de cristal de alta resolución permitieron determinar el valor de la energía de resonancia del escandio en el experimento con cinco decimales a 12,38959 keV, que es 250 veces más preciso que antes.

Jörg Evers, jefe de análisis de datos del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, destaca: "La determinación precisa de la energía de transición supone un gran avance. Un conocimiento preciso de esta energía es crucial para la realización de relojes atómicos basados ​​en el escandio".

Los investigadores ahora están explorando nuevos pasos hacia la realización de un reloj nuclear de este tipo. Shvyd'ko explica: "Los avances en la excitación de la resonancia de escandio y la medición precisa de su energía abren nuevas vías no sólo para los relojes nucleares, sino también para la espectroscopia de ultra alta precisión y la medición precisa de efectos físicos fundamentales".

Olga Kocharovskaya, de la Universidad Texas A&M, EE.UU., iniciadora y líder del proyecto financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, añadió: "Una precisión tan alta podría permitir, por ejemplo, la detección de la dilatación del tiempo gravitacional a distancias submilimétricas. Esto ayudaría a estudiar los efectos relativistas en escalas de longitud hasta ahora inalcanzables".