Un láser permite observar cómo absorbe luz el núcleo de un átomo: un avance hacia los relojes nucleares

¿Qué pasaría si pudiéramos medir el tiempo utilizando directamente el núcleo de un átomo? Aunque los relojes atómicos actuales ya alcanzan niveles extraordinarios de precisión, los científicos buscan nuevas formas de construir instrumentos todavía más estables. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha conseguido observar cómo el núcleo del torio-229 absorbe luz de un láser continuo, superando una dificultad experimental que limitaba el desarrollo de los llamados relojes nucleares.

El descubrimiento, presentado en un artículo publicado en la revista Nature, demuestra que es posible detectar la resonancia nuclear mediante absorción de luz, sin depender de la lenta emisión luminosa que se utilizaba en experimentos anteriores. Este resultado abre una nueva posibilidad para construir sistemas capaces de medir frecuencias nucleares mediante señales más rápidas, un requisito importante para desarrollar futuros relojes de alta precisión.

¿Qué diferencia existe entre un reloj atómico y uno nuclear?

Los relojes convencionales utilizan mecanismos que producen oscilaciones regulares para medir el paso del tiempo. Los relojes atómicos aplican un principio mucho más preciso: utilizan la frecuencia de una transición entre dos estados de energía de un átomo como referencia.

En los relojes atómicos ópticos, esas transiciones ocurren en los electrones que rodean el núcleo. Cuando reciben radiación electromagnética de una frecuencia determinada, los electrones pueden pasar de un nivel de energía a otro.

Un reloj nuclear seguiría un principio parecido, pero utilizaría una transición energética que ocurre dentro del propio núcleo atómico.

El interés de esta alternativa se debe a que el núcleo, al encontrarse rodeado por los electrones, puede estar menos expuesto a determinadas perturbaciones externas. En condiciones adecuadas, esto podría proporcionar una referencia de frecuencia especialmente estable.

Sin embargo, controlar las transiciones nucleares mediante láseres resulta complicado porque normalmente requieren energías mucho mayores que las transiciones electrónicas.

El torio-229: un núcleo con una propiedad extraordinaria

El torio-229 es un isótopo radiactivo cuyo núcleo presenta una característica poco habitual: posee un estado excitado de energía excepcionalmente baja en comparación con la mayoría de los núcleos atómicos.

Esta propiedad permite estimular una transición nuclear utilizando radiación ultravioleta de aproximadamente 148,4 nanómetros de longitud de onda, una región del espectro conocida como ultravioleta de vacío.

En otras palabras, mientras que numerosas transiciones nucleares requieren radiación mucho más energética, la transición del torio-229 puede alcanzarse mediante sistemas láser especialmente desarrollados para este propósito.

Los investigadores ya habían logrado excitar directamente este núcleo mediante luz láser en experimentos anteriores. En 2024, otro estudio publicado en Nature consiguió relacionar su frecuencia de transición con la de un reloj atómico de estroncio.

No obstante, todavía existían dificultades para desarrollar un sistema de medición que pudiera utilizar esa transición nuclear de manera continua y con una respuesta suficientemente rápida.

Un láser extremadamente débil consiguió excitar el núcleo

Para abordar este problema, los investigadores utilizaron un cristal de fluoruro de calcio que contenía núcleos de torio-229.

El cristal fue iluminado con un láser continuo, cuya frecuencia podía ajustarse cuidadosamente hasta coincidir con la transición energética del núcleo.

A diferencia de los sistemas anteriores, basados principalmente en pulsos de luz, el nuevo dispositivo proporciona una radiación continua y con un intervalo de frecuencias muy estrecho.

El equipo generó luz ultravioleta de vacío con una potencia inferior a un nanovatio, equivalente a menos de una milmillonésima parte de un vatio.

La fuente láser partía de una longitud de onda infrarroja de 1.187 nanómetros. Mediante tres etapas sucesivas de duplicación de frecuencia, los científicos obtuvieron la radiación necesaria para excitar el torio-229.

Esta configuración permitió concentrar la luz en las frecuencias de interés y estudiar la respuesta de los núcleos presentes en el cristal.

Observar la luz que desaparece, en lugar de esperar a que regrese

Uno de los aspectos más importantes del experimento fue el cambio en el procedimiento utilizado para detectar la transición nuclear.

En investigaciones anteriores, los científicos excitaban los núcleos con un láser y después observaban la fluorescencia, es decir, la luz emitida cuando los núcleos regresaban a su estado energético inicial.

El inconveniente era que ese proceso podía tardar varios minutos. En el cristal utilizado, el estado excitado presenta un tiempo característico de decaimiento de aproximadamente 600 segundos.

El nuevo método funciona de otra manera.

Los investigadores midieron directamente la cantidad de luz que atravesaba el cristal. Cuando la frecuencia del láser coincidía con una transición nuclear, una pequeña parte de la radiación era absorbida, provocando una disminución de la intensidad luminosa transmitida.

Al identificar esa disminución, podían reconocer la resonancia sin esperar a que los núcleos emitieran luz.

En las mediciones espectrales presentadas, el procedimiento de absorción permitió obtener los registros aproximadamente cinco veces más rápido que el método basado en fluorescencia utilizado para la comparación.

Esta ventaja resulta relevante porque un reloj nuclear necesitaría detectar variaciones de frecuencia y corregir continuamente su funcionamiento.

Una señal que también revela el entorno del núcleo

El experimento permitió estudiar dos configuraciones diferentes de los átomos de torio dentro del cristal de fluoruro de calcio.

Aunque ambos contenían el mismo isótopo, el entorno formado por los átomos vecinos modificaba ligeramente las características de sus transiciones nucleares.

Los investigadores identificaron una configuración especialmente simétrica, en la que el núcleo experimentaba un gradiente de campo eléctrico estático muy pequeño.

Esta característica podría resultar útil porque reduciría la sensibilidad de determinadas líneas de resonancia a cambios en el entorno cristalino.

Sin embargo, todavía es necesario estudiar cómo influyen la temperatura, las tensiones del material y otras perturbaciones sobre la frecuencia nuclear antes de establecer el rendimiento real de un reloj basado en esta configuración.

¿Estamos cerca de construir relojes nucleares más precisos?

Los resultados representan un avance experimental, pero no significan que los investigadores hayan construido un reloj nuclear que supere a los mejores relojes atómicos actuales.

El equipo demostró que puede excitarse la transición nuclear mediante un láser continuo y obtenerse una señal de absorción apropiada para desarrollar sistemas de estabilización de frecuencia.

Todavía será necesario mejorar la intensidad y estabilidad del láser, optimizar los cristales y controlar los factores que pueden alterar las mediciones.

Si estos desafíos se resuelven, los relojes nucleares podrían proporcionar nuevas herramientas para la metrología de precisión y la investigación de fenómenos fundamentales de la física.

Entre sus posibles aplicaciones científicas se encuentra la comparación de frecuencias extremadamente estables para investigar si determinadas constantes fundamentales de la naturaleza presentan variaciones a lo largo del tiempo.

Por ahora, el estudio demuestra algo más concreto: es posible obtener una señal óptica rápida de una transición que ocurre en el núcleo de un átomo, acercando la posibilidad de utilizarla como referencia para medir el tiempo.