LA LUZ QUE MANTIENE EN MARCHA UN RELOJ NUCLEAR
Los relojes ópticos proporcionan referencias de frecuencia precisas para la metrología y para poner a prueba la física fundamental. Un núcleo de torio-229 ofrece algo más extraño: su núcleo tiene un estado excitado de baja energía, unos 8,4 electronvoltios por encima del estado fundamental, al que puede llegar un láser. Un reloj basado en un núcleo sería especialmente sensible a posibles variaciones de las constantes fundamentales de la naturaleza. Y con el torio incrustado en un cristal transparente, podría convertirse en un reloj nuclear de estado sólido.
El problema es el color. Esa transición necesita luz de 148,4 nanómetros, en el ultravioleta de vacío. Trabajos recientes han demostrado que esa luz puede excitar el núcleo y hacer funcionar relojes nucleares. Sin embargo, para leer una absorción débil, la fuente debe suministrar un flujo constante de fotones durante horas, y hay que filtrar las derivas de su intensidad.
Conflicto de intereses. Algunos autores son empleados o propietarios de Shanghai Precilasers Technology, una empresa de láseres. Los autores no declaran otros conflictos.
Dividir la longitud de onda por dos, tres veces
El equipo, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, el Laboratorio Nacional de Hefei, institutos de la Academia China de Ciencias y la empresa, parte de un láser infrarrojo continuo de 1187 nanómetros. Tres etapas sucesivas de duplicación de frecuencia dividen su longitud de onda por dos: 594, luego 297 y luego 148,4 nanómetros.
El último paso tiene lugar en un cristal de tetraborato de estroncio, un material transparente en el ultravioleta de vacío capaz de convertir la luz al doble de su frecuencia. El cristal está en una caja sellada, vaciada y rellenada con nitrógeno de una pureza superior al 99,9999 %, porque el oxígeno se traga esta luz. Esa propiedad sirve además de prueba: basta dejar entrar un poco de oxígeno para que la señal de 148,4 nanómetros desaparezca y solo quede el ruido de fondo.
Unos pocos nanovatios, muy limpios
- Con 920 milivatios de luz de 297 nanómetros a la entrada, la fuente entrega unos 8,1 nanovatios estimados a 148,4 nanómetros.
- La señal es 38 000 veces más intensa que el fondo que queda tras añadir oxígeno.
- Esa potencia es unas seis veces los 1,3 nanovatios publicados por un equipo anterior. Pero los autores subrayan que se obtuvo con mucha más potencia de bombeo; por vatio al cuadrado, ambas conversiones son comparables, así que no queda demostrado que el cristal sea más eficiente.
Los cristales cortados del mismo bloque no se comportaron igual. Uno funcionaba mejor hacia los 30 °C, otro hacia los 45 y 48 °C según dónde incidiera el haz. Cada pieza necesita su propio ajuste.
Treinta y tres horas, y un truco contra la deriva
La fuente funcionó durante 33,3 horas mientras el equipo realizaba medidas de absorción nuclear descritas en un artículo complementario. Su potencia subió lentamente de unos 5 a 8 millones de cuentas por segundo, mientras el bombeo se mantenía estable; la causa de la deriva sigue sin aclararse.
Para vencer estas derivas, el equipo comparó cada milisegundo de señal con los milisegundos inmediatamente anteriores y posteriores. En otra sesión de tres horas, esta referencia local permitió que el ruido se promediara casi tan bien como permite la estadística de fotones, hasta alcanzar una estabilidad relativa de 3,5 × 10⁻⁵ tras 1000 segundos. Los autores lo presentan como una prueba de promediado fuera de línea, no todavía como un límite de detección de absorción medido.
Hacia fuentes más brillantes
Una cavidad de espejos alrededor de un cristal más fino podría, sobre el papel, elevar la potencia hasta unos 3,4 microvatios, una proyección que supone pérdidas bajas y un funcionamiento estable. Dopar el cristal o controlar su estructura interna son otras vías. Por ahora, el resultado es una fuente práctica y de larga duración para escuchar la débil absorción de un núcleo de torio.