Una serie de experimentos con n\u00facleos de torio-229 ha acercado el largamente teorizado reloj nuclear a la realidad, produciendo mediciones de frecuencia lo bastante estables como para desafiar a los relojes at\u00f3micos que actualmente definen el segundo. Los resultados, repartidos en varios art\u00edculos revisados por pares publicados en Nature y Physical Review Letters, muestran que un dispositivo en estado s\u00f3lido construido alrededor de una \u00fanica transici\u00f3n nuclear puede alcanzar el tipo de reproducibilidad que las autoridades de metrolog\u00eda exigen antes de cualquier redefinici\u00f3n de la unidad internacional de tiempo. Si los restantes obst\u00e1culos de ingenier\u00eda se superan, los relojes nucleares podr\u00edan ofrecer una forma fundamentalmente diferente y m\u00e1s precisa de medir el tiempo, con consecuencias para el GPS, las telecomunicaciones y la b\u00fasqueda de nueva f\u00edsica.<\/p>\n
Los relojes at\u00f3micos, el est\u00e1ndar de oro actual, funcionan fijando una frecuencia de microondas u \u00f3ptica al hueco energ\u00e9tico entre estados electr\u00f3nicos en \u00e1tomos como el cesio o el estroncio. Esas capas electr\u00f3nicas se encuentran en el exterior del \u00e1tomo, expuestas a campos el\u00e9ctricos y magn\u00e9ticos par\u00e1sitos. Los relojes nucleares invierten ese enfoque. Rastrean una transici\u00f3n enterrada dentro del propio n\u00facleo, donde la nube electr\u00f3nica circundante act\u00faa como un blindaje. Debido a que el n\u00facleo es mucho m\u00e1s compacto y est\u00e1 m\u00e1s fuertemente ligado, los dispositivos nucleares medir\u00edan el tiempo usando cambios nucleares internos<\/a>, lo que los hace menos sensibles a perturbaciones externas que limitan a los mejores relojes \u00f3pticos actuales.<\/p>\n El n\u00facleo espec\u00edfico en el centro de este trabajo es el torio-229, que tiene un estado excitado inusualmente de baja energ\u00eda, llamado is\u00f3mero, de aproximadamente 8,4 electronvoltios. Esa energ\u00eda se sit\u00faa en el rango del vac\u00edo ultravioleta, lo bastante baja como para alcanzarla con un l\u00e1ser y lo bastante alta como para ser una transici\u00f3n nuclear y no at\u00f3mica. Un art\u00edculo te\u00f3rico de 2012 destac\u00f3 por primera vez el potencial de esta l\u00ednea espectral estrecha para la cronometraje de precisi\u00f3n, y ha servido como una motivaci\u00f3n importante<\/a> para la b\u00fasqueda experimental que sigui\u00f3 durante la d\u00e9cada siguiente. El is\u00f3mero del torio-229 es \u00fanico: se sit\u00faa a tan baja energ\u00eda que, en principio, l\u00e1seres de mesa pueden excitarlo directamente, abriendo la puerta a un reloj nuclear pr\u00e1ctico en lugar de uno confinado a laboratorios de f\u00edsica de altas energ\u00edas.<\/p>\n El primer paso decisivo lleg\u00f3 cuando los investigadores excitaron resonantemente el is\u00f3mero nuclear del torio-229<\/a> en un cristal de fluoruro de calcio dopado con torio usando un sistema l\u00e1ser ajustable de mesa. Esa demostraci\u00f3n prob\u00f3 que la espectroscop\u00eda nuclear controlada por l\u00e1ser era posible fuera de un acelerador de part\u00edculas, una condici\u00f3n habilitadora para cualquier reloj pr\u00e1ctico. Mostr\u00f3 que la transici\u00f3n nuclear pod\u00eda ser abordada de forma repetida y lo bastante limpia como para resolverse como una l\u00ednea espectrosc\u00f3pica en lugar de un evento estoc\u00e1stico raro.<\/p>\n Por separado, un equipo compar\u00f3 la transici\u00f3n nuclear del torio-229 directamente con un reloj at\u00f3mico \u00f3ptico 87Sr usando un enlace por peine de frecuencias y conversi\u00f3n ascendente al ultravioleta<\/a>, produciendo una relaci\u00f3n de frecuencias medida lo bastante precisa como para anclar la l\u00ednea nuclear a una referencia de cronometraje establecida. Los peines de frecuencia act\u00faan como reglas en el dominio de la frecuencia, permitiendo conectar la transici\u00f3n nuclear, que yace en el ultravioleta de vac\u00edo, con est\u00e1ndares \u00f3pticos y de microondas bien caracterizados. Al atar el torio-229 al estroncio, el experimento tradujo un nuevo tic nuclear al lenguaje de la infraestructura de cronometraje existente.<\/p>\n Construyendo sobre esos resultados, un art\u00edculo m\u00e1s reciente en Nature caracteriz\u00f3 la reproducibilidad de frecuencia de una transici\u00f3n de torio-229 en estado s\u00f3lido<\/a> en un cristal hu\u00e9sped de CaF2. El estudio proporcion\u00f3 valores medidos de la frecuencia central mediante espectroscop\u00eda repetida, detall\u00f3 el sistema l\u00e1ser y el enlace de frecuencia utilizado, y catalog\u00f3 las incertidumbres sistem\u00e1ticas. La reproducibilidad es la m\u00e9trica que m\u00e1s importa para un reloj: si la frecuencia de la transici\u00f3n deriva de forma impredecible entre mediciones, ninguna cantidad de precisi\u00f3n bruta ayuda. El hecho de que los investigadores pudieran caracterizar esa deriva e informar valores consistentes a lo largo del tiempo mueve la tecnolog\u00eda de una curiosidad de la f\u00edsica hacia un instrumento de cronometraje que puede compararse, calibrarse y, eventualmente, estandarizarse.<\/p>\n La precisi\u00f3n en el papel significa poco si el reloj falla en un entorno real. Una vulnerabilidad clave es la temperatura. Un estudio publicado en Physical Review Letters midi\u00f3 c\u00f3mo la transici\u00f3n del reloj s\u00f3lido del torio-229 cambia con la temperatura en un hu\u00e9sped de CaF2, encontrando una l\u00ednea espectral candidata con una sensibilidad de aproximadamente 0,4 kHz por kelvin<\/a>. Ese n\u00famero establece una restricci\u00f3n dura: para alcanzar incertidumbres de frecuencia fraccionarias al nivel de 10\u221218<\/sup>, el cristal necesitar\u00eda estabilidad de temperatura a nivel de microkelvin. Lograr control a microkelvin en un laboratorio es dif\u00edcil pero no imposible con las t\u00e9cnicas criog\u00e9nicas actuales. Hacerlo en un dispositivo desplegable, expuesto a condiciones ambientales cambiantes y con potencia limitada, es un problema totalmente distinto.<\/p>\nExcitaci\u00f3n por l\u00e1ser y puntos de referencia de frecuencia<\/h2>\n
Temperatura, pel\u00edculas delgadas y compensaciones de ingenier\u00eda<\/h2>\n