reloj óptico nuclear

El péndulo de estos relojes no oscila por un resorte o una pesa, sino por un diminuto empujón dentro del núcleo atómico. Los relojes atómicos ordinarios miden el tiempo mediante las oscilaciones de los electrones, pero aquí el péndulo es el propio núcleo: una densa bolita de protones y neutrones.

El tictac de un reloj atómico se parece al golpe de un metrónomo, solo que en lugar de un péndulo, son las oscilaciones de los electrones en un átomo. Dos de estos relojes, uno con un ion de iterbio y otro con átomos de estroncio, se hicieron sonar juntos y se compararon sus ritmos. Las mediciones duraron casi dos años.

La relatividad general, que describe la estructura del universo, no prohíbe los bucles en el tiempo. Pero Stephen Hawking propuso la hipótesis de la 'protección de la cronología': los efectos cuánticos deberían destruir esos bucles, haciendo imposibles los viajes al pasado.

Dos péndulos en un mismo hilo intercambian movimiento: si empujas uno, el segundo comienza a oscilar, y un instante después el primero recibe un empujón de vuelta. En el átomo de torio-229, la energía fluye casi sin pérdidas entre la capa electrónica y el núcleo.

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.

En lo más profundo del núcleo atómico del torio-229 se esconde una palanca tiesa. Para moverla de una posición a otra hay que aplicar fuerza, y normalmente eso requiere tiempo. Este isótopo tiene dos niveles de energía muy cercanos, y la transición entre ellos puede inducirse con un pulso láser.

El núcleo atómico es un muelle natural de fuerza colosal. Cuando los protones y neutrones de su interior se reorganizan, pasa a un estado especial de larga duración: isómero nuclear. En él se almacena energía, como un muelle comprimido al límite.

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.

El péndulo oscila con tal precisión que, si hubiera estado contando los segundos desde el Big Bang, hoy se habría desviado solo medio segundo. Esa es la estabilidad del nuevo láser ultravioleta portátil, el corazón de los relojes atómicos de aluminio.

En los sótanos de cuatro institutos europeos había siete dispositivos, cada uno comparable a un diapasón de precisión inimaginable. Solo que en lugar de sonido, emiten un «tictac» de luz: oscilaciones de un láser confinado a una frecuencia específica por átomos de espectroscopía de estroncio, iterbio o mercurio.

El núcleo del átomo de torio-229 es como una cuerda de guitarra tensada: vibra a una frecuencia estrictamente definida. Para «extraer el sonido», se necesita un golpe preciso: un rayo láser de un color muy específico.

Los relojes no son solo agujas. Todo núcleo atómico es un metrónomo natural: oscila con una regularidad casi perfecta. Si se eleva un metrónomo de estos un par de metros, su ritmo se acelera ligeramente: esto es la curvatura del tiempo, predicha por Einstein.

Un rayo láser tan tenue como un susurro de luz ha llevado un núcleo de torio-229 a un estado de mayor energía. La mayoría de los núcleos necesitan una explosión de energía, pero el torio-229 tiene una brecha energética tan pequeña que incluso este suave empujón funciona.

Un ordenador cuántico mantiene los átomos en trampas de luz, como canicas en agujeros. Para leer la respuesta, hay que fotografiar cada átomo y determinar si brilla o no. Antes, el análisis de una imagen de este tipo llevaba tanto tiempo que el ordenador quedaba inactivo. Ahora, los ingenieros han creado una placa especial que examina la fotografía y encuentra todos los átomos al instante.

En una molécula, similar a la clorofila y construida a partir de carbono, un átomo de metal en el centro funciona como un interruptor. Desplazándolo una fracción de nanómetro, se puede hacer que la molécula brille, se apague o amplificar su brillo cientos de veces.

Un agente de aduanas no puede desmontar una maleta para saber qué hay dentro. La pasa por rayos X y, por las sombras en la pantalla, deduce: aquí hay metal, aquí materia orgánica. De manera similar, un inspector de futuros tratados de desarme nuclear debería verificar una ojiva sin abrirla y sin ver su contenido secreto. Los neutrones son mejores que los rayos X para esta tarea.

Una partícula diminuta flota en un rayo láser, como una mota de polvo en la luz de una linterna. Las moléculas de agua la empujan constantemente, de forma desordenada y desde todas las direcciones. Normalmente, estos empujones estorban: la partícula se sacude y las mediciones precisas se convierten en una lotería.

Los relojes atómicos comunes hacen tic-tac cuando un electrón salta entre niveles de energía. Pero los campos externos y los golpes pueden alterar ese ritmo. Los iones altamente cargados —átomos a los que se les han arrancado muchos electrones— apenas notan esas perturbaciones: sus electrones están profundos y firmemente sujetos. Por eso son 'péndulos' ultraestables.

El núcleo atómico normalmente vive en un solo estado energético, como una pelota en el suelo. Pero el torio-229 tiene una rara excepción: el núcleo puede quedarse atascado en un pequeño escalón sobre el suelo, en el llamado estado isomérico. Este escalón es tan bajo que se puede alcanzar con luz ordinaria, no con radiación dura.

Un termómetro que no miente durante años. Los termómetros de resistencia ordinarios, incluso los muy precisos, con el tiempo empiezan a fallar: el material envejece, los contactos se oxidan y las lecturas se desvían.

Un rayo láser atraviesa una cubeta de vidrio con vapor de rubidio, y por cómo los átomos absorben la luz se puede conocer su temperatura. Es como medir la velocidad de los coches por el desenfoque de una fotografía: cuanto más rápido se mueven los átomos, más ancha se vuelve la línea de absorción.

Cada átomo tiene su propia «voz»: la frecuencia de la luz que emite. En los isótopos —átomos con diferente número de neutrones— las voces varían ligeramente. Es como en un coro: si conoces la partitura con exactitud, la más mínima desafinación revela una influencia externa.

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.

Calienta un reloj de cuarzo común diez grados y empezará a atrasarse segundos por día. Los relojes atómicos son más precisos, pero ocupan un armario entero. Un diamante con un diminuto defecto —la vacancia de nitrógeno— promete la precisión de un reloj atómico en el volumen de un grano de arena.

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.

Momento dipolar medido del tantalio-181: 3,39 × 10⁻³² e·cm — como notar un desplazamiento de un átomo a la escala del Sistema Solar. Un núcleo atómico normal está perfectamente equilibrado, como un trompo giratorio.

Una película delgada de dióxido de torio de solo 10 nanómetros de espesor está depositada sobre un disco de acero. El pulso láser incide en ella, pero en lugar del brillo esperado, el detector capta un flujo de electrones.