El año pasado, investigadores liderados por la UCLA lograron un hito que los físicos habían estado persiguiendo durante medio siglo. Lograron hacer que los núcleos de torio radiactivo absorbieran y emitieran fotones de forma controlada, similar a cómo se comportan los electrones dentro de los átomos. El concepto fue propuesto por primera vez por el equipo en 2008 y se espera que su realización abra la puerta a una nueva generación de relojes de alta precisión. Estos avances podrían mejorar drásticamente los sistemas de navegación e incluso ayudar a los científicos a probar si algunas de las constantes fundamentales de la naturaleza cambian con el tiempo.
A pesar del gran avance, persiste una grave limitación. El isótopo específico necesario para los relojes atómicos, el torio-229, se encuentra sólo en el uranio apto para armas. Como resultado, los científicos estiman que sólo existen 40 gramos de este material en todo el mundo para la investigación de relojes, lo que hace que la eficiencia sea un desafío importante.
Un método más sencillo utiliza mucho menos torio.
Una colaboración internacional dirigida por el físico de la UCLA Eric Hudson ha encontrado ahora una manera de sortear este obstáculo. El equipo descubrió cómo reproducir sus resultados anteriores utilizando una pequeña fracción del torio necesario anteriormente. Su nuevo enfoque, informa la naturalezaSencillo y barato, lo que plantea la posibilidad de que algún día los relojes atómicos puedan miniaturizarse y ser lo suficientemente asequibles para su uso generalizado.
De ser así, estos relojes podrían ir más allá del laboratorio y reemplazar los sistemas de cronometraje en las redes eléctricas, las torres de telefonía celular y los satélites GPS. Incluso pueden encogerse lo suficiente como para caber en un teléfono o un reloj de pulsera. La tecnología puede permitir la navegación en lugares donde las señales de GPS no pueden llegar, incluido el espacio profundo y entornos submarinos como los submarinos.
Quince años de trabajo sustituidos por una estrategia sencilla
El equipo de Hudson pasó 15 años desarrollando el cristal de fluoruro especializado dopado con torio que permitió su avance original. En estos experimentos, los átomos de torio-229 se unieron al flúor en una estructura cuidadosamente diseñada. El torio se estabiliza y permanece transparente a la luz láser necesaria para excitar el núcleo atómico. Sin embargo, el proceso resultó extremadamente difícil y se necesitaron cantidades relativamente grandes de torio para producir cristales.
“Hicimos todo el trabajo de hacer los cristales porque pensamos que el cristal tenía que ser transparente para que la luz láser alcanzara los núcleos de torio. Es realmente un desafío hacer los cristales. Lleva una eternidad y la cantidad más pequeña de torio que podemos usar es 1 mg, que es mucho cuando sólo hay unos 40 disponibles”, dice el autor del estudio, Rido Seagram. Elwell, quien recibió el Premio Deborah Jean 2025 por su destacada investigación de tesis doctoral en física atómica, molecular u óptica por los avances del año pasado.
Tomando prestado un método de la fabricación de joyas.
En el nuevo estudio, los investigadores adoptaron un enfoque muy diferente. Depositaron una capa extremadamente delgada de torio sobre acero inoxidable mediante galvanoplastia, una técnica comúnmente utilizada en joyería. La galvanoplastia, desarrollada a principios del siglo XIX, se basa en una corriente eléctrica para mover átomos de metal a través de una solución conductora y recubrir una superficie con otro metal. Por ejemplo, el oro o la plata suelen galvanizarse sobre metales menos preciosos.
“Nos llevó cinco años descubrir cómo cultivar cristales de fluoruro, y ahora hemos descubierto cómo obtener el mismo resultado con una de las técnicas industriales más antiguas y utilizando 1.000 veces menos torio. Además, el producto final es esencialmente una pequeña pieza de acero y mucho más fuerte que los cristales frágiles”, dijo Hudson.
Repensar cómo funciona la excitación nuclear
El éxito del nuevo sistema se debió a la constatación de que una suposición arraigada desde hacía mucho tiempo era errónea. Los científicos creían que era necesario incrustar el torio en un material transparente para que la luz láser pudiera alcanzar y excitar el núcleo. El equipo descubrió que excitar el núcleo lo suficiente como para observar su transferencia de energía era mucho más fácil de lo que se pensaba anteriormente.
“Todo el mundo siempre había asumido que para excitar y luego observar la transferencia nuclear, el torio necesitaba estar incrustado en un material que fuera transparente a la luz utilizada para excitar el núcleo. En este trabajo, hemos demostrado que esto simplemente no es cierto”, dijo Hudson. “Todavía podemos introducir suficiente luz en estos materiales opacos para excitar los núcleos cerca de la superficie, y luego, en lugar de emitir fotones como en materiales transparentes como los cristales, emiten electrones que pueden detectarse simplemente observando una corriente eléctrica: ¡lo más fácil que se puede hacer en el laboratorio!”
Por qué los relojes atómicos son importantes fuera del laboratorio
Más allá de mejorar las redes de comunicaciones, los sistemas de radar y la sincronización de la red eléctrica, los relojes ultraprecisos podrían abordar una importante preocupación de seguridad nacional: la navegación sin GPS. Si un mal actor –o incluso una tormenta electromagnética– perturba suficientes satélites, la navegación basada en GPS fallará. Los submarinos ya dependen de relojes atómicos mientras están sumergidos, pero los relojes existentes varían con el tiempo, lo que obliga a los barcos a salir a la superficie semanas después para confirmar su posición.
Los relojes atómicos son mucho menos sensibles a las perturbaciones ambientales, lo que los hace especialmente valiosos en situaciones en las que se debe mantener la precisión durante largos períodos de tiempo sin señales externas.
“El enfoque del equipo de UCLA podría ayudar a reducir el costo y la complejidad de los futuros relojes atómicos basados en torio”, dijo Makan Mohageg, líder de relojes ópticos en Boeing Technology Innovation. “Estas innovaciones pueden contribuir a un cronometraje más compacto y de alta estabilidad, lo cual es relevante para una serie de aplicaciones aeroespaciales”.
La base de la futura exploración espacial
Relojes más precisos son esenciales para los viajes espaciales de larga distancia, donde la precisión del tiempo se basa en la navegación y la comunicación.
“El grupo de UCLA dirigido por Eric Hudson ha realizado un trabajo asombroso para encontrar una manera eficiente de investigar las transiciones nucleares en el torio, un trabajo que abarca más de una década. Este trabajo allana el camino para un reloj de torio eficiente”, dijo Eric Burt, quien dirige el Proyecto de Reloj Atómico de Alto Rendimiento de la NASA y no participó en la investigación de propulsión a chorro de Los Ángeles. “En mi opinión, los relojes atómicos de torio también podrían revolucionar las mediciones físicas básicas que se pueden realizar con relojes, como las pruebas de la teoría de la relatividad de Einstein. Debido a su inherente baja sensibilidad a las perturbaciones ambientales, los futuros relojes de torio también podrían ser útiles para establecer la presencia humana en una escala de planificación solar permanente para los sistemas de planificación solar”.
Colaboración y financiación de la investigación.
La investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y en ella participaron físicos de la Universidad de Manchester, la Universidad de Nevada Reno, el Laboratorio Nacional de Los Alamos, Ziegler Analytics, Johannes Gutenberg-Universität Mainz y Ludwig-Maximilians-Universität München.
