reloj atómico

Al canario no se lo llevaba a la mina por su canto. El pájaro caía de la percha antes de que el minero notara el monóxido de carbono. En el vacío ultraalto, el papel del canario lo desempeña una nube de cien mil átomos de litio o rubidio.

Los dos estados del átomo de estroncio son como dos gemelos que corren por la misma pista, pero uno va ligeramente más alto que el otro. Normalmente, la luz que se usa para controlar los átomos empuja a un gemelo con más fuerza y al otro con menos. Aquí se eligió una longitud de onda de 813 nanómetros, 'mágica', en la que ambos reciben el mismo empujón.

Una partícula cuántica se mueve en círculo, pasando por varias estaciones. En cada estación, algo le ocurre, por ejemplo, sus propiedades cambian ligeramente. Tras completar el ciclo, la partícula regresa, pero su estado ya no es exactamente el mismo que al principio.

El mundo cuántico no perdona el olvido. Tira una piedra a un estanque: las ondas se expanden y desaparecen, la información sobre la caída se dispersa sin dejar rastro. En mecánica cuántica es distinto: la evolución del sistema es reversible y el pasado nunca se borra del todo.

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

Una orquesta de miles de millones de átomos de cesio tocó una sola nota, y sonó durante 17 horas sin apagarse. No es hipérbole: físicos chinos crearon un cristal temporal continuo con un tiempo de vida récord. Un cristal temporal es un sistema que rompe la simetría temporal y pulsa espontáneamente con un ritmo inmutable.

Dos nadadores sincronizados se lanzan al mar. Uno llega a una zona en calma, el otro a un remolino. Sus movimientos, perfectamente coordinados al inicio, divergen. Algo similar ocurre con dos partículas cuánticas cuando una se mueve en un espacio plano y la otra en uno curvado.

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

Un péndulo que oscila casi medio billón de veces por segundo. No es mecánica: es el pulso de la luz atrapado por átomos de iterbio. En lugar de engranajes, aquí trabaja una rejilla láser — una onda estacionaria que mantiene los átomos en sus nodos, como guisantes en una vaina.

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

Los cristales de tiempo son fases cuánticas de la materia que oscilan espontáneamente, como un diapasón con un eco infinitamente prolongado. Si un cristal espacial ordinario repite un patrón atómico en el espacio, rompiendo la simetría traslacional, un cristal temporal muestra periodicidad en el tiempo, rompiendo la simetría traslacional temporal.

Un cristal de tiempo se asemeja a un reloj eterno: sus átomos realizan movimientos rítmicos por sí mismos. En un reloj normal, un resorte o una pila empuja el péndulo, pero aquí el movimiento surge sin aporte de energía: el sistema simplemente vuelve a su estado inicial a intervalos regulares. Esta idea fue propuesta por Frank Wilczek en 2012.

En la molécula de benceno, los electrones zumban alrededor de los núcleos como un enjambre de abejas alrededor de la colmena. Pero este enjambre no solo zumba: pulsa. Cada 856 attosegundos, la nube electrónica completa un ciclo de oscilación.

En los enormes aceleradores, las partículas atraviesan los detectores en milmillonésimas de segundo, y para distinguirlas entre sí se necesita un cronómetro de increíble precisión. El nuevo detector µRWELL-PICOSEC actúa como tal cronómetro: captura el momento del paso de una partícula con una precisión de 48 picosegundos, es decir, 48 billonésimas de segundo.

Un reloj atómico es un péndulo que late a la frecuencia de la luz. Dentro de una trampa, un ion de aluminio está suspendido, y un láser lo sondea como un diapasón. Si la frecuencia del láser coincide con la frecuencia propia del átomo, este responde. Esa respuesta es la que se usa para calibrar el reloj.

Un bit cuántico común se destruye con la más mínima perturbación: calor, campo magnético. Los físicos hicieron trabajar un par de átomos para que el desorden no borrara la información. Esta se codificaba no en cada átomo, sino en la diferencia de sus estados, como la tensión de una cuerda entre dos boyas.

Una película de una taza rota proyectada hacia atrás parece absurda: los fragmentos no se reúnen solos para formar el todo. Esta sensación intuitiva de irreversibilidad está relacionada con el aumento de la entropía, una medida del desorden en un sistema.

Dos teléfonos con la misma batería: uno se carga en un sótano con poca señal y el proceso es más lento. El porcentaje de carga actúa como la manecilla del reloj. Los físicos trasladaron esta misma lógica al mundo cuántico. Su reloj es una batería microscópica que acumula energía.

Un reloj de pared normal avanza de manera continua, pero un reloj cuántico es otra cosa. Hace tictac en momentos aleatorios y cada tictac puede durar un intervalo distinto. En promedio, si se observa durante mucho tiempo, marcará la hora correcta. Pero en cada instante concreto su manecilla puede saltar hacia adelante una cantidad inesperada.

Una brújula magnética en un tubo de ensayo suena a truco de magia, pero es física pura. En una solución de fumarato (una sal del ácido málico), los núcleos de carbono-13 se comportan como pequeñas peonzas.

El tiempo es como una carretera: de lejos parece perfectamente lisa, pero con mucho aumento se ven todas las grietas. Esas irregularidades son los temblores cuánticos del vacío que impiden medir con exactitud el camino recorrido. Los físicos construyeron un modelo de reloj cuyo funcionamiento se basa en la creación espontánea de partículas a partir del vacío.

Los relojes atómicos convencionales se basan en la espectroscopía, el conteo de las oscilaciones de los electrones. Los relojes nucleares de torio-229, en cambio, apuntan al propio núcleo.

Estamos acostumbrados: el tiempo solo fluye hacia adelante. Pero las leyes cuánticas permiten que se convierta en una moneda que muestra cara y cruz a la vez. Toma una partícula con rotación intrínseca —su espín—. En un campo magnético, gira como un trompo.

En una mesa óptica común, entre láseres y espejos, una nube de cien átomos de estroncio-87 comienza a vivir según las leyes del espacio-tiempo curvado. Medio segundo después, su interferencia cuántica se apaga: la dilatación del tiempo gravitacional destruye la superposición.