Investigadores avanzan hacia el primer reloj nuclear: un salto en la medición del tiempo impulsado por el torio-229

La carrera por construir el primer reloj nuclear cobró un renovado impulso tras décadas de investigación, con avances recientes en la manipulación del torio-229 y el desarrollo de tecnología láser que acercan este objetivo a la realidad, según publicó la revista científica Nature.

El potencial de este dispositivo, conforme a los científicos reunidos en el Global Physics Summit de la American Physical Society (la Sociedad Estadounidense de Física) en Denver, reside en su capacidad para superar la precisión de los relojes atómicos ópticos actuales y abrir la puerta a aplicaciones comerciales fuera del laboratorio.

A diferencia de los relojes atómicos ópticos, que hoy pierden solo un segundo cada 40.000 millones de años, el reloj nuclear promete mayor capacidad de resistencia frente al ruido y un diseño compacto, atributos que podrían transformar sistemas de navegación, telecomunicaciones y áreas dependientes de la medición ultra precisa del tiempo.

Claire Cramer, directora ejecutiva de ciencia cuántica en la Universidad de California, Berkeley, sostuvo: “Esta es una tecnología realmente, realmente prometedora para aplicaciones comerciales”, según la revista.

Las limitaciones históricas para el desarrollo del reloj nuclear radicaban en el desconocimiento exacto de la transición de energía nuclear del torio-229. Este hito fue alcanzado en 2024 mediante un experimento liderado por Chuankun Zhang, del Instituto de Tecnología de California, y Jun Ye, del laboratorio conjunto JILA en Colorado de la Universidad de Colorado y el l Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST por sus siglas en inglés), quienes emplearon un peine de frecuencia para precisar la transición con una exactitud excepcional.

El reto de los láseres ultravioleta y el torio-229

El diseño del reloj nuclear requiere dos avances técnicos simultáneos: un láser ultravioleta de onda continua con una longitud de onda de aproximadamente 148 nanómetros, y una fuente de torio-229, que es radiactivo.

De acuerdo con la revista, un equipo de la Universidad de Tsinghua en Pekín logró recientemente emitir 100 nanovatios de potencia a 148,4 nanómetros (0,1 microwatts), aunque este sistema depende del calentamiento de vapor de cadmio a 550 °C, lo que ha generado escepticismo sobre su viabilidad a largo plazo debido a la toxicidad del material.

Otro enfoque, impulsado por el grupo de Jun Ye, convierte un láser óptico convencional a 148 nanómetros mediante un cristal especializado, generando 40 microwatts de potencia (0,00004 vatios) con notable estabilidad en las pruebas iniciales. El material exacto utilizado no ha sido divulgado, pero la colaboración con IPG Photonics, firma que patentó un método para crecer cristales de tetraborato de estroncio, sugiere la dirección del desarrollo.

Eric Hudson, físico de la Universidad de California, Los Ángeles, señaló: “Esta es una dificultad técnica que nadie había necesitado resolver antes, y ahora la resolveremos”.

Dos estrategias para estabilizar el reloj

El otro gran desafío consiste en producir una fuente estable de torio-229. Existen dos caminos principales. Por un lado, se pueden emplear billones de iones de torio-229 incrustados en un cristal sólido, lo que genera una señal de reloj potente, aunque esta opción enfrenta limitaciones de estabilidad debido al ancho de banda de la transición nuclear.

El grupo de Ye, al utilizar un cristal de fluoruro de calcio con torio-229, obtuvo hasta ahora una señal de 30 kHz de ancho de banda, un margen insuficiente para garantizar la estabilidad necesaria.

La causa de este margen de frecuencia se atribuye probablemente a impurezas en el cristal, motivo por el cual algunos equipos están experimentando con otros materiales, incluidos películas delgadas cristalinas y compuestos como el tetrafluoruro de torio y el óxido de torio, tradicionalmente empleados como recubrimientos ópticos. Hudson considera especialmente prometedor el tetrafluoruro de torio por su estabilidad estructural.

No obstante, el uso de cristales podría limitar la precisión máxima del reloj nuclear, ya que tienden a ampliar el ancho de banda de la señal. Por esa razón, otra línea de trabajo apuesta por trampas de iones, donde un pequeño número de iones de torio-229 son enfriados y mantenidos a temperaturas del orden de los microkelvins. Jun Ye explicó que los experimentos más precisos se lograrán con iones atrapados, aunque esta técnica todavía no ha sido demostrada con torio-229.

En palabras de Hudson: “estamos mucho más cerca de lo que se piensa”, y aseguró que en 2026 veremos mediciones con relojes nucleares.

El significado de los relojes nucleares y su impacto potencial

El reloj nuclear utiliza las transiciones energéticas entre estados del núcleo de torio-229, en contraste con los actuales relojes atómicos basados en electrones. Esta diferencia fundamental permite medir el tiempo con una exactitud nunca antes alcanzada, lo que podría transformar desde la metrología hasta la sincronización de redes globales.

Hoy, cerca de una docena de equipos en China, Europa, Japón y Estados Unidos coordinan esfuerzos para solventar los desafíos materiales y técnicos restantes. El consenso entre los físicos reunidos en Denver es claro: la materialización del primer reloj nuclear ya no es una cuestión de décadas, sino de pocos años.