Los relojes nucleares pueden superar a los relojes atómicos como los relojes más precisos

Los relojes nucleares podrían ser la CABRA: el mejor de todos los relojes.

Si los físicos pueden construirlos, los relojes nucleares serían un tipo de reloj completamente nuevo, uno que mantendría el tiempo basado en la física de los corazones de los átomos. Los relojes más precisos de la actualidad, llamados relojes atómicos, se basan en el comportamiento de los electrones de los átomos. Pero un reloj basado en núcleos atómicos podría alcanzar 10 veces la precisión de esos relojes atómicos, estiman los investigadores.

Mejores relojes podrían mejorar las tecnologías que dependen de ellos, como la navegación GPS, dijo el físico Peter Thirolf el 3 de junio durante una reunión en línea de la División de Física Atómica, Molecular y Óptica de la Sociedad Estadounidense de Física. Pero “no se trata solo de cronometraje”. A diferencia de los electrones de los átomos, los núcleos atómicos están sujetos a la fuerte fuerza nuclear, que mantiene unidos a los protones y neutrones. “Un reloj nuclear ve una parte diferente del mundo”, dijo Thirolf, de Ludwig-Maximilians-Universität München en Alemania. Eso significa que los relojes nucleares podrían permitir nuevas pruebas de ideas fundamentales en física, incluso si los números supuestamente inmutables en física conocidos como constantes fundamentales son, de hecho, constantes.

Los relojes atómicos cuentan el tiempo utilizando los saltos de energía de los electrones de los átomos. Según la física cuántica, los electrones en los átomos pueden transportar solo ciertas cantidades de energía, en niveles de energía específicos. Para hacer que los electrones de un átomo pasen de un nivel de energía a otro, los átomos de un reloj atómico deben ser golpeados con luz láser de la frecuencia correcta. Esa frecuencia, la tasa de oscilación de las ondas electromagnéticas de la luz, sirve como un cronometrador de alta precisión.

Como los electrones en un átomo, los protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos también ocupan niveles de energía discretos. Los relojes nucleares se basarían en saltos entre esos niveles de energía nuclear, en lugar de los de electrones. En particular, los núcleos son resistentes a los efectos de campos eléctricos o magnéticos extraviados que pueden obstaculizar los relojes atómicos. Como resultado, los relojes nucleares “serían más estables y más precisos”, dice la física teórica Adriana Pálffy de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en Alemania.

Pero hay un problema. Para contar el tiempo con los núcleos, los científicos deben poder iniciar el salto entre los niveles de energía nuclear con un láser. “Los niveles nucleares normalmente no son accesibles con láseres”, dijo la física teórica Marianna Safronova de la Universidad de Delaware en una charla del 2 de junio en la reunión. Para la mayoría de los núcleos, eso requeriría luz de mayor energía que la que pueden lograr los láseres adecuados. Afortunadamente, hay una sola excepción en todos los núcleos conocidos, dijo Safronova, “una cosa extraña de la naturaleza”. Una variedad de torio llamada torio-229 tiene un par de niveles de energía lo suficientemente cercanos en energía como para que un láser pueda desencadenar el salto.

Las mediciones recientes han identificado con mayor precisión la energía de ese salto, un paso crucial hacia la construcción de un reloj nuclear de torio. Thirolf y colegas estimó la energía midiendo los electrones emitidos cuando el núcleo salta entre los dos niveles, como se informa en Naturaleza en 2019. Y en un artículo de 2020 en Cartas de revisión física, el físico Andreas Fleischmann y sus colegas midieron otros saltos de energía que el núcleo de torio puede hacer, restándolos a deducir la energía del reloj nuclear saltar.

imagen de microscopio de detectores
Una serie de detectores de alta sensibilidad (mostrados en una imagen de microscopio electrónico de barrido de color falso) midió la energía de la luz emitida cuando los átomos de torio-229 saltaron entre niveles de energía. Esas mediciones permitieron a Andreas Fleischmann y sus colegas estimar la energía del salto que los físicos pretenden utilizar para hacer un reloj nuclear.Matthäus Krantz

Los equipos están de acuerdo en que el salto es de poco más de 8 electronvoltios de energía. Esa energía corresponde a la luz ultravioleta en un rango para el que es posible iniciar el salto con un láser, pero al borde de las capacidades de los científicos.

Ahora que los físicos conocen el tamaño del salto de energía, pretenden activarlo con láseres. En la reunión, el físico Chuankun Zhang del instituto de investigación JILA en Boulder, Colorado, informó sobre los esfuerzos para usar un peine de frecuencia (SN: 5/10/18) – un método para crear una matriz de frecuencias discretas de luz láser – para iniciar el salto y medir su energía aun mejor. “Si es un éxito, podemos construir directamente un reloj óptico de base nuclear a partir de eso”, dijo en la reunión. El equipo de Thirolf también está trabajando con peines de frecuencia, con el objetivo de lograr un reloj nuclear que funcione en los próximos cinco años.

Mientras tanto, Pálffy está estudiando el uso de lo que se llama un “puente electrónico”. En lugar de usar un láser para iniciar directamente un salto de energía por el núcleo, el láser primero excitaría los electrones, que luego transferir energía al núcleo, Informó Pálffy en la reunión.

Los relojes nucleares podrían permitir a los investigadores diseñar nuevas pruebas para determinar si las constantes fundamentales de la naturaleza varían con el tiempo. Por ejemplo, algunos estudios han sugerido que la constante de estructura fina, un número que establece la fuerza de las interacciones electromagnéticas, podría cambiar (SN: 2/11/16). “Este reloj nuclear es un sistema perfecto para buscar la variación de las constantes fundamentales ”, dijo en la reunión Victor Flambaum, de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney. Los dispositivos también podrían probar una base de la teoría de la relatividad general de Einstein llamada principio de equivalencia (SN: 4/12/17). O podrían buscar materia oscura, escurridizas partículas no detectadas que los físicos creen que representan la mayor parte de la materia del universo, lo que podría alterar el tic-tac del reloj.

El potencial de los relojes nucleares es tan prometedor que a Fleischmann, de la Universidad de Heidelberg en Alemania, le tomó solo un instante resolver el dilema de cómo los científicos podrían construir un reloj nuclear, dice. “Desde el primer segundo quedó claro que esta es una cuestión en la que uno debería trabajar”.


Source: Science News by www.sciencenews.org.

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