Los primeros relojes nucleares de torio en funcionamiento convierten los núcleos atómicos en cronómetros

Un reloj nuclear funciona durante más de un día

Un prototipo en Viena ha mantenido su láser sincronizado con núcleos de torio durante más de 24 horas sin intervención, mientras que un equipo independiente en Pekín demostró un reloj similar con un láser ultravioleta más potente y apenas 1,4 microgramos de torio 229 para cultivar uno de sus cristales. Los dos resultados, publicados en Nature el 7 de octubre de 2026, convierten los relojes nucleares en dispositivos capaces de regular su propio tic-tac, más allá de las mediciones de un prometedor núcleo atómico.

La colaboración europea, dirigida por Thorsten Schumm, de la TU Wien, y Ekkehard Peik, del instituto nacional de metrología de Alemania, PTB, alcanzó una inestabilidad de frecuencia cercana a una parte en un cuatrillón tras un día de promediado. La colaboración china, dirigida por Shiqian Ding, de la Universidad Tsinghua, informó de un coeficiente de inestabilidad menor, lo que indica una estabilidad unas seis veces mayor según la relación de promediado reportada.

Ninguno de los dos prototipos ha superado a los mejores relojes atómicos ópticos. El avance consiste en que una transición nuclear ya proporciona la retroalimentación necesaria para controlar un reloj en funcionamiento. El equipo de Viena ya ha utilizado esa capacidad para buscar materia oscura ultraligera: no encontró señales, pero estableció límites para algunas interacciones propuestas.

En su anuncio sobre el reloj nuclear, la TU Wien describe un sistema que corrige automáticamente la frecuencia del láser cuando cambia la respuesta de los núcleos de torio. Schumm, profesor del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la universidad, explica el objetivo fundamental:

«Lo que realmente se necesita es un reloj nuclear autoestabilizado».

Esta diferencia distingue las demostraciones de experimentos anteriores que excitaban núcleos de torio o medían su frecuencia de transición, pero dependían de un reloj externo para estabilizar la luz.

¿Qué hace diferente al torio 229?

Un reloj atómico óptico utiliza una transición entre niveles de energía de los electrones como referencia de frecuencia. Un reloj nuclear traslada esa referencia al núcleo, donde los protones y neutrones pueden ocupar distintos estados cuánticos. En ambos casos, las oscilaciones regulares de la luz marcan el tiempo, mientras que la transición elegida mantiene el láser en la frecuencia correcta.

La mayoría de las transiciones nucleares requieren mucha más energía de la que pueden proporcionar los láseres convencionales. El torio 229 es el único núcleo conocido con una transición directamente accesible mediante la tecnología láser actual. Su estado excitado, inusualmente bajo y llamado isómero, se encuentra a unos 8,4 electronvoltios por encima del estado fundamental. Esa energía corresponde a luz ultravioleta cercana a los 148 nanómetros.

Esta luz pertenece al rango ultravioleta de vacío, que es difícil de generar y manipular. Producir un rango suficientemente estable y estrecho de frecuencias láser en esa longitud de onda fue uno de los principales desafíos de ingeniería para ambos equipos.

La palabra «nuclear» no significa que el reloj funcione con un reactor, fisión o fusión. El torio 229 es radiactivo, pero su desintegración no es el mecanismo que marca el tiempo. El reloj utiliza luz láser para sondear una transición dentro del núcleo.

Los núcleos son más de diez mil veces más pequeños que los átomos y están parcialmente protegidos por los electrones que los rodean. Por lo general, responden menos a las perturbaciones eléctricas y magnéticas externas, lo que ofrece una vía para obtener referencias de frecuencia más estables. Los experimentos actuales también muestran que insertar núcleos en un cristal no elimina todos los efectos del entorno.

Cómo el cristal corrige el láser

Ambos equipos insertaron torio 229 en cristales de fluoruro de calcio y los iluminaron con luz láser continua cercana a los 148,4 nanómetros. Cuando la luz coincide con la transición nuclear seleccionada, los núcleos la absorben. Un detector mide la luz transmitida, lo que permite a los investigadores determinar si el láser se ha desviado de la resonancia.

Un circuito electrónico de retroalimentación modifica entonces la frecuencia del láser para devolverla al valor correcto. El núcleo deja de ser un mero objeto de medición: su respuesta guía el oscilador que genera la señal del reloj.

El artículo sobre el reloj de Viena del equipo europeo, dirigido por Luca Toscani de Col, describe una retroalimentación rápida basada en espectroscopia de absorción en un cristal de apenas unos milímetros, que funciona a temperatura ambiente. Una cavidad óptica independiente aporta estabilidad en intervalos cortos, mientras que la transición nuclear corrige las desviaciones a más largo plazo.

La absorción es crucial porque esperar a que los núcleos excitados emitan luz puede llevar mucho tiempo. El artículo de Viena señala que la absorción produce aproximadamente mil veces más fotones de señal por segundo que la detección de fluorescencia. Esto permite hacer correcciones en intervalos más breves que la vida del estado excitado y buscar con mayor rapidez cambios en la transición.

Dos laboratorios, distintas decisiones de ingeniería

La colaboración europea incluye a investigadores de Alemania, Austria y Chequia. El equipo de Pekín está formado por la Universidad Tsinghua, la Academia de Ciencias de la Información Cuántica de Pekín y colaboradores de distintas partes de China. Beichen Huang encabeza la lista de autores del estudio chino.

Viena utilizó un cristal con mayor concentración de torio, mientras que Pekín compensó la escasez de isótopos con mucha más potencia láser. Ambos enfoques abordan el mismo problema: obtener suficiente señal de absorción útil para determinar cuánto se ha alejado el láser de la resonancia nuclear.

El artículo sobre el reloj de Tsinghua describe una fuente que genera 10 microvatios de luz ultravioleta mediante un proceso que combina campos láser en vapor de cadmio. Unos 5 microvatios llegaron a la superficie frontal del cristal. El equipo europeo empleó un método distinto de conversión no lineal con un cristal de tetraborato de estroncio.

El cristal mejorado de fluoruro de calcio de Pekín se cultivó a partir de una solución que contenía solo 1,4 microgramos de torio 229, con una actividad de 10 kilobecquereles. Esa actividad mide desintegraciones radiactivas, no los pulsos del reloj. El artículo señala que la escasez de isótopos deja muy poco margen para repetir los intentos de optimizar el crecimiento del cristal.

Shiqian Ding, físico de la Universidad Tsinghua, afirma que las demostraciones independientes refuerzan la confianza en que el concepto funciona con distintos diseños técnicos:

«Trabajamos de forma independiente y logramos poner en funcionamiento relojes nucleares de torio 229 al mismo tiempo, con enfoques experimentales distintos. Creo que esto es muy alentador porque demuestra que el concepto es sólido y no depende de una implementación técnica concreta».

Ambos grupos tienen previsto mejorar sus sistemas y combinar las lecciones de los dos enfoques. Un mayor número de núcleos y más luz ultravioleta aprovechable podrían generar juntos una señal más intensa que cualquiera de esas ventajas por separado.

¿Qué precisión tienen los prototipos?

El artículo de Viena informa de una inestabilidad fraccional de frecuencia de 3 × 10^-12 dividida por la raíz cuadrada del tiempo de promediado, expresado en segundos. El artículo chino informa de 5 × 10^-13 con la misma forma de escalamiento. El cociente entre esos coeficientes es seis y constituye la base de la comparación entre ambos relojes.

La inestabilidad de frecuencia describe cuánto fluctúa la marcha de un reloj durante la medición. El promediado puede reducir las fluctuaciones aleatorias. La exactitud plantea otra pregunta: cuánto se acerca la frecuencia medida al valor correcto, una vez considerados los sesgos. La repetibilidad indica si otra medición, o un cristal distinto, produce el mismo resultado.

Dolores del Campo Maldonado, directora de la División de Magnitudes Mecánicas e Ingeniería del Centro Español de Metrología, destaca como fortalezas distintas la mayor estabilidad del reloj chino en intervalos cortos y la comparación del experimento austríaco con un reloj de iterbio. Ninguno de estos resultados demuestra que un reloj supere a los mejores relojes atómicos en todos los aspectos.

Las distintas publicaciones presentan conversiones diferentes del error acumulado en el tiempo. La TU Wien estima aproximadamente un segundo en 30 millones de años para el prototipo de Viena, con base en una precisión cercana a 10^-15. Otra publicación estima alrededor de un segundo en 3 millones de años para el reloj europeo y 19 millones de años para el chino. Una descripción anterior del resultado chino situaba su inestabilidad cerca de una parte en 10 billones tras un día, mientras que el artículo final informa de un promediado hasta el nivel de 10^-15 durante el intervalo medido.

Estas cifras no deben considerarse garantías intercambiables de exactitud absoluta. Las comparaciones más fiables se basan en las mediciones de inestabilidad publicadas y en sus condiciones de promediado. Los relojes atómicos ópticos actuales siguen por delante, con resultados equivalentes a un segundo en decenas de miles de millones de años, incluido un ejemplo con iterbio de 23.000 millones de años.

El cristal sigue afectando al resultado

El estudio de Viena determinó que las frecuencias medidas en días distintos solo podían reproducirse con una variación de unos 5 × 10^-13, peor que la inestabilidad alcanzada durante una medición continua. Antes de cada medición había que realinear el láser, por lo que atravesaba zonas ligeramente distintas del cristal.

Las mediciones en diferentes posiciones revelaron desplazamientos de hasta 1,7 kilohercios en la frecuencia central de la transición. Los investigadores sospechan que se deben a tensiones locales causadas por una estructura cristalina irregular. Las mediciones repetidas en la misma posición produjeron resultados reproducibles, lo que respalda la necesidad de controlar el recorrido del láser por el material.

El equipo de Pekín puso a prueba dos cristales fabricados de manera independiente. Las frecuencias de transición medidas diferían en unos 560 hercios, lo que corresponde a una diferencia fraccional de 2,8 × 10^-13, con una incertidumbre de 0,6 × 10^-13. Ambos resultados también eran compatibles, dentro de las incertidumbres combinadas, con mediciones anteriores realizadas en otros cristales de fluoruro de calcio en JILA, Estados Unidos.

El equipo de Pekín controló las fluctuaciones de temperatura y utilizó blindaje magnético. El cristal mejorado transmitía el 7 % de la luz ultravioleta, frente a cerca del 1 % del cristal anterior. Estas mejoras, junto con los cambios en los detectores y una señal de absorción más intensa, redujeron considerablemente el ruido de medición.

Akio Kawasaki, del Instituto Nacional de Metrología de Japón, identifica los campos eléctricos externos como una fuente importante de incertidumbre en los relojes. Las transiciones nucleares ofrecen protección frente a esas perturbaciones, pero los resultados de los prototipos muestran por qué siguen siendo necesarios materiales de calidad, control de temperatura y una evaluación cuidadosa de los desplazamientos de frecuencia.

Una búsqueda de materia oscura sin detección

El equipo de Viena comparó su reloj nuclear con un reloj de iones de iterbio de la Oficina Federal de Metrología y Topografía de Austria mediante una conexión de fibra óptica estabilizada. El experimento buscó variaciones periódicas y desviaciones lentas en la relación entre sus frecuencias durante unas 23 horas, explorando escalas de tiempo de entre 20 segundos y aproximadamente un día.

Algunas teorías predicen que la materia oscura ultraligera podría causar pequeñas oscilaciones en las constantes fundamentales. Las transiciones nucleares y electrónicas responderían de manera distinta, por lo que compararlas con estos dos relojes es una prueba útil. No se observó ninguna señal periódica estadísticamente significativa y la lenta desviación medida fue compatible con cero.

La ausencia de una señal permitió al equipo limitar las posibles interacciones con los fotones, la fuerza nuclear fuerte y las masas de los quarks. Los límites relativos a los fotones son comparables a los de los principales relojes atómicos similares. Para ciertas interacciones de la fuerza fuerte y los quarks, el artículo informa de una sensibilidad que alcanza valores entre 10 y 1.000 veces mayores en los rangos de parámetros analizados que los de experimentos anteriores con relojes atómicos.

La ventaja del torio se debe a su inusual equilibrio energético. Las contribuciones electromagnéticas y nucleares, mucho mayores, casi se anulan, lo que deja la pequeña transición de 8,4 electronvoltios. Por ello, un pequeño cambio en esas contribuciones podría producir una variación relativamente grande en la frecuencia del reloj.

José R. Crespo López-Urrutia, investigador del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, estima que la sensibilidad a ciertos efectos hipotéticos de la materia oscura es casi 10.000 veces mayor que la de los mejores relojes atómicos ópticos. Esto se refiere a la respuesta potencial a efectos concretos, no a una mejora universal en la medición del tiempo ni a la detección de materia oscura. Declaró haber colaborado anteriormente con algunos de los grupos de autores, pero no haber participado directamente en estos estudios.

El artículo de Viena también advierte que todavía no es posible calcular los factores de sensibilidad exactos, porque algunos parámetros nucleares siguen siendo desconocidos. Sus resultados limitan modelos e interacciones concretos, no todas las formas posibles de materia oscura.

Los hitos que llevaron a los relojes en funcionamiento

Los resultados más recientes fueron precedidos por años de trabajo para confirmar la existencia del estado excitado, determinar su energía y desarrollar láseres adecuados. Schumm afirma que su equipo trabaja en un reloj nuclear desde 2008. Peik y Christian Tamm propusieron el enfoque del reloj de torio en 2003.

• 2016: Según la cronología del artículo de Viena, los investigadores demostraron la existencia del isómero de torio mediante su proceso de desintegración.
• 12 de septiembre de 2019: La TU Wien describió dos experimentos que precisaron el conocimiento de la transición, antes de que existiera un reloj en funcionamiento.
• Abril de 2024: La colaboración entre la TU Wien y PTB impulsó directamente la transición nuclear del torio con luz láser.
• Otoño de 2024: Los investigadores conectaron un aparato de excitación de torio a un reloj atómico óptico convencional.
• 2025: Las fuentes continuas de láser ultravioleta y las mediciones de absorción permitieron sondear la transición de forma sostenida.
• 7 de octubre de 2026: Los dos estudios de Nature informaron de relojes nucleares en funcionamiento con retroalimentación.

El anuncio sobre los hitos de 2019 de la TU Wien detalla una medición indirecta con iones de torio producidos por la desintegración del uranio 233. Alrededor del 2 % alcanzó el estado excitado. Al atravesar grafeno, los iones se neutralizaron y la energía de los electrones emitidos después ayudó a establecer la energía del estado nuclear.

En otro experimento realizado en Japón, se utilizaron rayos X intensos de sincrotrón para poblar un estado nuclear de energía mucho mayor, que luego se desintegró principalmente en el isómero deseado. Fueron pasos para localizar y medir la transición, no demostraciones de relojes en funcionamiento.

Una reseña académica de quantA atribuye al grupo de Schumm la determinación de la energía de transición con 12 decimales y el desarrollo de la excitación ultravioleta mediante generación de armónicos altos. Describe la construcción del prototipo como una fase de ingeniería en el Clúster de Excelencia quantA y en un Proyecto de Sinergia del Consejo Europeo de Investigación (ERC). Las nuevas demostraciones con retroalimentación van más allá de esa etapa anterior.

¿Qué debe mejorar antes de su uso práctico?

Las prioridades inmediatas son contar con láseres más potentes y estables, mejores detectores y cristales más puros y uniformes. Viena necesita mejorar la reproducibilidad entre mediciones. Pekín estudia mejores materiales anfitriones y la posibilidad de construir un reloj de iones de torio, que aislaría mejor los núcleos, pero sería técnicamente más difícil.

Las publicaciones también ofrecen distintas mediciones del ancho de resonancia. Peik describe un ancho medido de 30 kilohercios, mientras que el artículo de Viena utiliza unos 100 kilohercios en su análisis del rendimiento del reloj. El artículo chino informa de 27 kilohercios para la transición seleccionada en el cristal mejorado. No se deben reducir estas mediciones a un único valor. Todas son mucho mayores que el ancho natural previsto de la resonancia nuclear, lo que indica que hay margen de mejora.

Entre sus posibles usos figuran la navegación por satélite, las telecomunicaciones, la transferencia sincronizada de datos y la topografía. El comunicado sobre aplicaciones de 2024 de la TU Wien también describe cómo medir el campo gravitatorio de la Tierra a partir de los cambios que la gravedad provoca en la marcha de los relojes. Esto podría tener aplicaciones en la búsqueda de minerales y el estudio de la tectónica de placas. La referencia a la predicción de terremotos alude a una posible aplicación futura, no a una capacidad demostrada.

Daniel de Mercado, físico del Centro Español de Metrología, explica que las mediciones precisas de las transiciones permiten comprobar si los valores observados difieren de las predicciones teóricas. Esas diferencias podrían apuntar a interacciones desconocidas. Por ahora, esta función de investigación es más inmediata que la posibilidad de sustituir relojes en las infraestructuras cotidianas.

Del Campo considera que superar una exactitud de 10^-19 podría ser una ventaja futura, pero duda que los relojes nucleares estén listos para influir en una posible redefinición del segundo en 2030. Estas demostraciones no incluyen una fecha confirmada de despliegue ni un calendario para sustituir los patrones de tiempo actuales. El siguiente paso es demostrar que los dispositivos mejorados pueden combinar una baja inestabilidad, frecuencias reproducibles y una exactitud bien comprendida.

Puntos clave

• Equipos independientes de Europa y China informaron en Nature de relojes nucleares de torio en funcionamiento el 7 de octubre de 2026.
• Ambos relojes utilizan absorción ultravioleta en cristales de fluoruro de calcio con torio para corregir la frecuencia de sus láseres.
• El prototipo de Viena funcionó más de 24 horas sin intervención.
• El coeficiente de inestabilidad reportado para el reloj chino es seis veces menor que el del reloj europeo.
• Ninguno de los prototipos ha superado todavía a los mejores relojes atómicos ópticos.
• La búsqueda de materia oscura en Viena no detectó señales, pero restringió algunas interacciones teóricas.
• La uniformidad de los cristales, la potencia de los láseres y la reproducibilidad siguen siendo retos clave antes de su uso práctico.