Los científicos están reduciendo el tiempo a detalles sin precedentes. Recientemente, dos equipos de investigación internacionales han construido un nuevo "reloj nuclear" en el laboratorio, que utiliza la vibración de alta frecuencia del núcleo atómico de torio-229 para medir el tiempo. Se considera un hito importante en la tecnología de medición del tiempo.

Desde contar, observar la oscilación de un péndulo hasta utilizar la vibración piezoeléctrica producida por cristales de cuarzo bajo la acción de un campo eléctrico, los humanos han inventado una variedad de métodos de cronometraje y su precisión mejora constantemente. Durante más de setenta años, los relojes atómicos han sido el "estándar de oro" para medir el tiempo, basándose en la frecuencia de las transiciones de los electrones del átomo de cesio entre diferentes órbitas.

Sin embargo, los electrones no son la única parte de un átomo que vibra regularmente. El propio núcleo atómico también sufrirá "oscilaciones" similares entre diferentes niveles de energía, y las oscilaciones corresponden a una energía más alta y una frecuencia más rápida, lo que significa que se pueden incluir más "ticks" en la unidad de tiempo, proporcionando así teóricamente una resolución temporal más alta que los relojes atómicos tradicionales.

Ya en 2003, los investigadores se dieron cuenta de que la hipotética frecuencia de "transición nuclear" de un determinado isótopo de torio podría estar dentro del rango que la tecnología láser moderna puede cubrir, lo que permitiría excitarlo y utilizarlo para medir el tiempo. Después de eso, pasaron 13 años para finalmente observar este fenómeno en experimentos, y otros 12 años para medir con mayor precisión la longitud de onda específica de la luz ultravioleta requerida, preparando parámetros clave para construir un "reloj nuclear" verdaderamente utilizable.

La verdadera dificultad surge a nivel de implementación de ingeniería: para transmitir a la atmósfera este tipo de luz ultravioleta profunda, que es fácilmente absorbida por los gases, es necesario encontrar un entorno sólido que pueda unir firmemente el núcleo de torio-229 y facilitar la irradiación de luz. En los dos últimos trabajos experimentales, un equipo dirigido por Luca Toscani de Cole, investigador del Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas de Viena, y un equipo dirigido por Huang Beichen, físico de la Universidad de Tsinghua, optaron por encapsular núcleos de torio-229 en cristales de fluoruro de calcio, cruzando con éxito este umbral tecnológico.

Para superar los desafíos experimentales restantes, los dos equipos adoptaron estrategias diferentes: el equipo de Huang Beichen mejoró la eficiencia de la excitación aumentando la potencia del láser ultravioleta, mientras que el equipo de Toscani de Cole optó por aumentar la concentración del isótopo de torio-229 en el cristal para aumentar la intensidad de la señal. Ambas rutas finalmente condujeron a prototipos de relojes nucleares operativos, proporcionando evidencia de la vida real de que la oscilación del nivel de energía nuclear se convirtió en un dispositivo de cronometraje práctico.

En la actualidad, el reloj atómico de iones más avanzado de la humanidad puede llevar la precisión del tiempo a 19 decimales, lo que significa que en la escala de la edad del universo, sus errores acumulativos son todavía extremadamente pequeños. La investigación teórica muestra que se espera que los relojes nucleares basados ​​en la transición nuclear del torio-229 vayan un paso más allá de este nivel y dividan el tiempo de formas más detalladas.

Cuanto más finas sean las porciones de tiempo, más probabilidades hay de que los científicos detecten efectos extremadamente débiles, como los efectos sutiles que la gravedad y la aceleración ejercen sobre la estructura del espacio-tiempo. Los relojes de ultra alta precisión no sólo son una herramienta poderosa para verificar teorías como la relatividad general, sino que también brindan nuevas herramientas para encontrar posibles fallas en el modelo estándar en escalas extremadamente pequeñas.

Para probar el rendimiento del nuevo dispositivo, el equipo de Toscani de Cole también utilizó el reloj nuclear para buscar signos de materia oscura de baja masa, con la esperanza de capturar pistas de la interacción entre la materia oscura y la materia ordinaria a través de cambios anormalmente pequeños en la frecuencia del tiempo. Si estos experimentos tienen éxito, se espera que proporcionen pistas clave para explicar aproximadamente el 85% de los componentes de masa del universo que aún no se han detectado directamente.

Actualmente, ambos resultados se publican en la plataforma arXiv en forma de preimpresiones y se divulgan los detalles y datos experimentales. Es previsible que a medida que las tecnologías relacionadas sigan madurando, los relojes nucleares abrirán nuevos espacios de aplicación en los campos de la investigación en física básica, los sistemas de navegación, las mediciones del campo gravitatorio terrestre e incluso las comunicaciones de alta precisión, añadiendo otro "cronómetro definitivo" a la capacidad de los seres humanos para captar el tiempo.

En comparación con el conteo de segundos en "Mississippi", estos relojes de nueva generación, que utilizan núcleos atómicos como "manecillas oscilantes", obviamente nos acercan un paso más a la sincronización perfecta.