- La estabilidad del reloj nuclear de China supera seis veces a los dos primeros dispositivos del mundo.
- Los resultados de medición del equipo de Tsinghua muestran que la señal no depende de un cristal especial.
- La ventaja de los relojes nucleares radica en reducir la interferencia externa, mejorando la precisión.
- Los investigadores enfrentan desafíos de materiales e ingeniería, y necesitan mejorar el rendimiento de los relojes nucleares.
El reloj nuclear experimental de China se ha convertido en la opción más estable entre los dos primeros dispositivos operativos del mundo. Los investigadores de la Universidad de Tsinghua descubrieron que la estabilidad operativa de su reloj es aproximadamente seis veces la del sistema competidor de Viena. Los relojes de ambos equipos se basan en núcleos de uranio-229 atrapados en un cristal, un método que traslada el mecanismo de medición del tiempo de los electrones al núcleo atómico. Este resultado marca un nuevo avance en la categoría de cronometraje de precisión. Los relojes nucleares también podrían ofrecer a los físicos una nueva forma de probar las leyes fundamentales de la naturaleza.
El equipo de Tsinghua descubrió que cristales fabricados por separado generaban señales de reloj casi idénticas. Sus resultados de medición coinciden en aproximadamente tres partes por cada diez billones. Este hallazgo indica que la señal no depende de un cristal especial en particular. El resultado también concuerda con las mediciones anteriores de investigadores de JILA en Colorado. Ding Shiqian, responsable de la investigación de Tsinghua, afirmó que el resultado refuerza el argumento a favor de relojes nucleares reproducibles. Los investigadores podrían eventualmente convertir esta tecnología en un estándar de tiempo práctico.
Estabilidad y características de la señal del reloj nuclear
Sin embargo, este reloj aún no alcanza la estabilidad lograda por los mejores relojes atómicos. Los relojes atómicos han definido el estándar de cronometraje preciso durante los últimos 70 años. Los relojes atómicos rastrean los cambios en los estados de energía de los electrones, mientras que los relojes nucleares monitorean las transiciones internas del núcleo atómico. Esta diferencia puede resultar especialmente importante, ya que los electrones ocupan una región mucho más extensa que el núcleo, mientras que el núcleo es mucho más pequeño y compacto.
El uranio-229 ofrece una rara ventaja para la cronometría nuclear. Su núcleo puede responder a la luz ultravioleta, y su energía puede alcanzarse con los láseres actuales. La mayoría de los núcleos requieren energías más altas para lograr transiciones similares. Los científicos lograron en 2024 impulsar el uranio-229 con láser. El sistema de Tsinghua genera luz ultravioleta calentando vapor de germanio a 1,112 grados Fahrenheit. Los investigadores dirigen el haz hacia un pequeño cristal dopado con uranio, de tamaño inferior a un grano de arroz, pero que contiene aproximadamente diez mil billones de núcleos de uranio.
El dispositivo de reloj nuclear de Viena, en cambio, utiliza un cristal que contiene aproximadamente 200 veces más núcleos de uranio. Los investigadores comparan su señal con un reloj atómico mediante 6 millas de fibra óptica. Los investigadores de Viena descubrieron que la señal del reloj varía ligeramente según la posición por la que el láser atraviesa el cristal. Esta fluctuación hace que el dispositivo mantenga un tiempo ligeramente diferente cada día. Mejorar el cristal podría ayudar a los investigadores a reducir este problema.
Aplicaciones potenciales y desafíos de los relojes nucleares
Los relojes nucleares pueden detectar fenómenos físicos, porque la escala más reducida del núcleo podría disminuir la interferencia procedente de campos eléctricos y magnéticos externos. Una menor interferencia podría eventualmente ayudar a los relojes nucleares a alcanzar una precisión extremadamente alta. Los relojes nucleares también pueden ayudar a los investigadores a investigar la materia oscura. Los físicos pueden comparar relojes nucleares y atómicos para detectar minúsculas variaciones en las constantes físicas fundamentales. Los investigadores de Viena ya han empleado su reloj en una búsqueda de materia oscura, experimento que no halló evidencia de materia oscura.
Los investigadores aún enfrentan importantes desafíos de materiales e ingeniería. El uranio-229 es extremadamente escaso, lo que limita los experimentos con nuevos diseños de cristales. Mejores cristales podrían distribuir el uranio de manera más uniforme y reducir defectos internos. Láseres más potentes también mejorarían el rendimiento del reloj. Actualmente, los sistemas respaldados por relojes atómicos dependen de una cronometría extremadamente precisa, incluida la navegación por satélite. Los relojes nucleares necesitan mejorar significativamente su rendimiento para desafiar estos sistemas establecidos. Los investigadores aspiran finalmente a llevar los relojes nucleares más allá de los laboratorios especializados, de modo que diseños compactos hagan accesible una precisión de cronometraje extrema en una gama más amplia de aplicaciones.
El estudio se publicó en la revista Nature.
Desarrollo futuro y desafíos de la tecnología de relojes nucleares
La tecnología de relojes nucleares de China muestra una estabilidad notable, lo que no solo impulsa el desarrollo de la cronometría de precisión, sino que también podría cambiar la forma en que se investiga la física. Dado que los relojes nucleares pueden reducir la interferencia externa, en el futuro tienen el potencial de desempeñar un papel importante en la investigación de la materia oscura y en la prueba de las constantes físicas fundamentales. No obstante, la escasez de uranio-229 y los desafíos de materiales e ingeniería siguen siendo obstáculos principales. Si se superan estos retos, los relojes nucleares podrían sustituir a los relojes atómicos tradicionales en aplicaciones más amplias, generando nuevos avances tecnológicos.