Físicos encuentran en un cristal el lugar ideal para relojes nucleares ultraprecisos

Los mejores relojes atómicos se equivocan menos de un segundo en un intervalo de tiempo comparable a la edad del Universo. Pero esa precisión récord exige una instalación compleja: los átomos deben aislarse de campos eléctricos y magnéticos externos mediante cámaras de vacío, blindajes y otro equipo de laboratorio. Los físicos intentan trasladar la medición del tiempo de la envoltura electrónica al interior del núcleo atómico. La transición nuclear depende menos del entorno, y los propios átomos pueden colocarse en un cristal transparente.

Los relojes atómicos convencionales usan transiciones de electrones entre niveles de energía. Se ajusta un láser a la frecuencia que corresponde exactamente a la diferencia de energía entre dos estados electrónicos. La frecuencia de la transición es constante, por lo que puede usarse como referencia para medir el tiempo. El problema es la posición de los electrones: la envoltura electrónica está fuera del átomo y es sensible a campos eléctricos y magnéticos. Incluso una perturbación externa pequeña puede desplazar los niveles de energía y cambiar la frecuencia medida.

En los relojes nucleares la frecuencia de referencia es la transición entre estados energéticos del núcleo atómico. La envoltura electrónica rodea al núcleo y lo protege parcialmente de los campos externos. Según estimaciones de los físicos, en el futuro los relojes nucleares podrán superar en precisión por un factor aproximado de diez a los mejores relojes atómicos. Para instrumentos prácticos es importante otra característica: los núcleos pueden colocarse dentro de un cristal sólido en vez de mantener los átomos en un complejo sistema de vacío.

Casi todas las transiciones nucleares conocidas requieren radiación gamma con características que los láseres modernos no pueden proporcionar. El torio-229 destaca entre otros isótopos por la energía anómala y baja de su estado excitado del núcleo. La transición puede excitarse con un láser ultravioleta. En 2024 los físicos, por primera vez, elevaron directamente los núcleos de torio-229 al estado excitado mediante radiación láser, tras lo cual surgió la posibilidad de construir relojes basados directamente en la frecuencia nuclear. El término «relojes nucleares» ya se usa en la literatura científica en ruso para aparatos cuya referencia es una transición dentro del núcleo y no una transición electrónica del átomo.

Para la versión en estado sólido de los relojes se necesitaba un material que mantuviera el torio-229 en posiciones estables y dejara pasar la radiación ultravioleta necesaria. Tras unos 15 años de experimentos se logró desarrollar el crecimiento de cristales de fluoruro de calcio (CaF₂) con impurezas de torio-229. Las muestras acabadas tienen un tamaño del orden de varios milímetros y exteriormente parecen pequeños cristales transparentes. En su interior hay átomos de torio integrados directamente en la red cristalina. El fluoruro de calcio ya se emplea en experimentos con relojes nucleares en estado sólido basados en torio-229.

La sola presencia de torio en el cristal no basta. Un átomo de torio puede ocupar varias posiciones diferentes en la red cristalina. De la posición concreta depende el campo eléctrico local alrededor del núcleo. Un campo no homogéneo desplaza y desdobla los niveles de energía, por lo que la frecuencia de la transición nuclear deja de ser idéntica para todos los átomos. Para un reloj se necesita una zona de la red donde los núcleos de torio estén en un entorno eléctrico lo más homogéneo posible.

Los físicos comprobaron las posiciones posibles del torio con un láser ultravioleta especialmente diseñado. El cristal se irradiaba durante 60 segundos con luz de una misma frecuencia para excitar los núcleos de torio-229. Luego se apagaba el láser y durante cinco minutos se registraba la radiación que surgía cuando los núcleos volvían a un estado de menor energía. Después de cada ciclo se cambiaba la frecuencia del láser y se repetía la medición. El escaneo secuencial permitió ver cómo diferentes grupos de átomos reaccionan a la radiación.

El experimento identificó cuatro posiciones del torio en la red cristalina. Tres grupos de núcleos emitían luz en varias longitudes de onda. Varias líneas espectrales indican un desdoblamiento de niveles por un campo eléctrico no homogéneo. Para un estándar de frecuencia de alta precisión ese efecto es indeseable, porque distintos núcleos empiezan a resonar de forma ligeramente diferente.

La cuarta posición produjo una sola línea espectral. Los núcleos de torio en esa zona de la red experimentan un campo eléctrico mucho más homogéneo, por lo que la transición nuclear conserva una frecuencia bien definida. Esa posición es la más adecuada para relojes nucleares en estado sólido frente a las otras tres. El nuevo trabajo muestra en qué lugar del cristal conviene ubicar el torio para que el entorno cristalino interfiera lo menos posible con la medición del tiempo.

Sobre la base del torio-229 ya se han creado los primeros prototipos operativos de relojes nucleares. En 2026 dos grupos independientes demostraron sistemas en estado sólido con cristales de fluoruro de calcio. Uno usó una mayor concentración de torio; el otro compensó una concentración menor con un láser más potente. Ambos esquemas permitieron vincular la frecuencia de la radiación láser con la transición nuclear del torio-229.

En precisión los prototipos actuales aún están por detrás de los mejores relojes atómicos ópticos. Los desarrolladores esperan mejorar las características de sus dispositivos al menos en tres órdenes de magnitud, es decir, en aproximadamente mil veces, ya antes de que termine el año. La fecha en que los relojes nucleares podrán superar a los mejores sistemas atómicos aún no está determinada.

El desafío de ingeniería más inmediato no está en la precisión récord, sino en reducir el tamaño del equipo. Primero pretenden reducir la instalación de laboratorio a aproximadamente el tamaño de una caja de zapatos, y más adelante la concepción se calcula para poder integrarla en un pequeño chip. El cristal aporta una ventaja importante para la miniaturización: un número enorme de núcleos puede mantenerse en posiciones fijas dentro de un sólido sin necesidad de una trampa electromagnética separada para cada átomo.

Los relojes nucleares compactos serán útiles incluso antes de alcanzar la máxima precisión. Una de las aplicaciones previstas son los centros de datos. Servidores, sistemas bancarios y equipos de telecomunicaciones requieren sincronización temporal precisa, y parte de la infraestructura recibe la señal de referencia de sistemas de navegación por satélite. Ante la pérdida de la señal satelital, relojes locales de alta estabilidad podrán mantener la hora exacta durante más tiempo sin sincronización externa. Una instalación del tamaño de un módulo de servidor o de una pequeña caja ya es adecuada para un bastidor en un centro de datos, mientras que la miniaturización futura permitirá llevar el patrón temporal nuclear a un chip.