UN RELOJ SINTONIZADO CON UN NÚCLEO ATÓMICO FUNCIONÓ DURANTE 30 HORAS

Los relojes más precisos del mundo cuentan las oscilaciones de los electrones dentro de los átomos, sondeadas con láseres. Sirven como referencias de frecuencia para la metrología y para pruebas de física fundamental. El torio-229 ofrece otro tipo de péndulo: su núcleo tiene un estado excitado, llamado isómero, solo unos 8,4 electronvoltios por encima de su estado fundamental, lo bastante bajo como para que un láser lo alcance. La luz necesaria está en el ultravioleta de vacío, a 148,4 nanómetros.

Según los autores, un reloj basado en esta transición nuclear sería especialmente sensible a posibles variaciones de las interacciones fundamentales y podría ayudar a buscar materia oscura. Incrustar el torio en un cristal transparente de fluoruro de calcio proporciona un número enorme de núcleos absorbentes en una pequeña pieza sólida: el camino hacia un reloj nuclear de estado sólido.

No es el primero, pero sí el que más tiempo ha funcionado aquí

El artículo es cuidadoso con lo que ya se había hecho. Sus referencias enumeran la fluorescencia nuclear, la excitación láser directa, la espectroscopía con peine de frecuencias, los láseres ultravioleta continuos, la espectroscopía de absorción e incluso los bucles de realimentación nuclear presentados por otros equipos. Lo que aporta este trabajo es un reloj que funciona durante mucho tiempo con un cristal dado, y una relación cuidadosa entre su espectro medido y la frecuencia que el reloj proporciona realmente.

La absorción es la clave. En vez de esperar a que los núcleos excitados se desexciten —un proceso lento—, el equipo mide cuánta luz se traga el cristal. Eso da una señal rápida que indica si el láser está sobre la línea o a un lado.

Tres duplicaciones para llegar al núcleo

Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, con socios de la Academia China de Ciencias y de la TU Wien de Viena, parten de un láser infrarrojo a 1.187 nanómetros, estabilizado sobre una cavidad óptica ultraestable. Tres duplicaciones de frecuencia sucesivas lo convierten en 594, luego en 297 y finalmente en 148,4 nanómetros. Unos 750 picovatios de luz ultravioleta atraviesan entonces un fragmento de cristal dopado con torio de 1,8 milímetros de grosor, cortado de un cristal llamado X2. Otros fragmentos de X2 se han medido en Viena y en JILA.

Dentro del cristal, el campo eléctrico local divide la línea nuclear en varias componentes. En un tipo de emplazamiento del torio, el equipo resuelve cuatro de ellas, más una resonancia más ancha procedente de un segundo tipo de emplazamiento. La línea más intensa y estrecha, llamada b, tiene solo 83 kilohercios de anchura, sobre una frecuencia de unos dos mil billones de hercios.

Treinta horas sobre una línea

Para hacer funcionar el reloj, el sistema sondea los dos flancos de la línea b y ajusta la frecuencia del láser aproximadamente cada 10 segundos. Un peine de frecuencias, referenciado a un máser de hidrógeno calibrado frente a un reloj atómico de estroncio, mide la salida.

El bucle se mantuvo 30 horas: 1.061.000 ciclos de medida, de los que solo se descartaron 29.
El equipo detuvo la ejecución cuando el reloj seguía enganchado: la tasa de fotones había caído de 5,79 a 2,41 millones por segundo, algo que los autores atribuyen a que la desgasificación degradó la transmisión ultravioleta.
La frecuencia medida de la línea b: 2.020.407.298.796,17 kilohercios, con una incertidumbre de 0,13 kilohercios.
Su estabilidad mejora con el tiempo de promediado y alcanza 1,24 × 10⁻¹³ al cabo de 10.000 segundos.
Una segunda ejecución de 6,6 horas sobre otra componente, la línea c, también funcionó.

Las posiciones de las líneas leídas en los espectros de absorción y las frecuencias proporcionadas por el reloj coinciden dentro de sus incertidumbres. Cuando el equipo volvió a poner en marcha el reloj tres veces más, tras abrir la cámara y realinear la óptica, las frecuencias medias se dispersaron en un intervalo de 1,6 kilohercios.

Mismo cristal, tres laboratorios

Al comparar su fragmento con fragmentos del mismo cristal medidos en Viena y en JILA, tras corregir la temperatura, el equipo recupera el mismo patrón de líneas. Persisten algunas diferencias: la línea b está 11,6 kilohercios por encima del valor de Viena y 6,6 por encima del de JILA; la línea c, unos 30 kilohercios por encima de ambos. Los autores aún no pueden decir si proceden de errores residuales de temperatura, de sesgos en el enganche o de diferencias reales entre muestras.

Lejos de la meta

Las cifras merecen contexto, y el artículo lo aporta. La comparación entre el máser de hidrógeno y el reloj de estroncio usados como referencia es por sí misma más de diez veces más estable que el reloj de torio en los mismos tiempos de promediado. Los balances de incertidumbre son explícitamente parciales, y la temperatura no se registró durante las primeras 14,7 horas de la ejecución larga. El valor de este trabajo está en la resistencia y en la verificación cruzada: una transición nuclear mantenida durante más de un día y comparada con fragmentos del mismo cristal en tres laboratorios.