Dos cristales convierten señales nucleares en relojes funcionales
Equipos de investigación de Austria y China han demostrado de forma independiente relojes nucleares en funcionamiento que utilizan torio-229 incrustado en cristales de fluoruro de calcio para controlar el ritmo de la luz láser. Sus artículos, publicados en Nature el 7 de octubre de 2026, describen un avance hacia una medición del tiempo más estable y una aplicación inmediata: poner a prueba teorías sobre la materia oscura.
Contenido
- Dos cristales convierten señales nucleares en relojes funcionales
- ¿Qué diferencia a un reloj nuclear?
- El paso decisivo es la corrección automática
- El reloj de Viena funcionó durante un día sin intervención
- China utilizó un láser más brillante y cristales mejorados
- Qué significa un segundo en 30 millones de años
- Un reloj se convierte en un experimento sobre materia oscura
- Cómo décadas de trabajo condujeron a este avance
- Mejorar la luz y los materiales son los próximos desafíos
- Puntos clave
El experimento de Viena se acercó a una inestabilidad fraccional de la frecuencia de 10 elevado a menos 15 en un día, un nivel que suele expresarse como aproximadamente un segundo en 30 millones de años. El experimento chino también alcanzó el rango de 10 elevado a menos 15 durante el intervalo medido. Ambos siguen por detrás de los mejores relojes atómicos ópticos.
El avance consiste en que ahora los núcleos ayudan a corregir los láseres de manera continua. Experimentos anteriores habían localizado y medido la transición del torio. Estos sistemas convierten esa medición en un circuito de retroalimentación que permite que la señal nuclear controle un reloj en funcionamiento.
Thorsten Schumm, de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien), dirigió el equipo austríaco, que trabajó con el equipo de Ekkehard Peik en el instituto nacional de metrología de Alemania, PTB, en Braunschweig. Shiqian Ding dirigió el equipo chino, en el que participaron la Universidad de Tsinghua y colaboradores que produjeron los cristales en Shanghái.
El anuncio de investigación de Nature, fechado el 8 de octubre, presenta los dos artículos conjuntamente como los primeros relojes funcionales basados en núcleos de torio-229. El logro común se apoya en distintas fuentes láser, detectores y diseños de cristal, lo que ofrece a los investigadores dos vías prácticas para desarrollar la tecnología.
¿Qué diferencia a un reloj nuclear?
Los relojes atómicos convencionales utilizan cambios entre estados de energía que involucran los electrones de un átomo. Desde 1967, la definición internacional del segundo se basa en una transición de microondas del cesio-133, que corresponde a unos 9.200 millones de ciclos por segundo. Los relojes atómicos ópticos utilizan transiciones de frecuencias mucho más altas.
Un reloj nuclear traslada la referencia al diminuto núcleo central del átomo, formado por protones y neutrones. La luz con la frecuencia adecuada puede elevar un núcleo de torio-229 a un estado de energía ligeramente superior. Los investigadores aprovechan esa respuesta, definida con gran precisión, para mantener el láser en una frecuencia constante.
El torio-229 es inusual porque la energía necesaria para esta transición es de apenas unos 8,4 electronvoltios, accesible con luz de una longitud de onda cercana a los 148 nanómetros. La mayoría de las transiciones nucleares requieren mucha más energía de la que pueden proporcionar los láseres de precisión convencionales. Esta transición en particular se encuentra en la región ultravioleta de vacío, más allá de la luz ultravioleta que conocemos por la luz solar.
Los núcleos interactúan menos que los electrones con muchas perturbaciones externas. Esto ofrece la posibilidad de contar con una referencia más fiable. Sin embargo, dentro de un cristal, el material circundante sigue afectando a la frecuencia medida, por lo que la calidad del cristal y el control del entorno son tareas de ingeniería fundamentales.
El paso decisivo es la corrección automática
Un láser puede desviarse cuando cambian las condiciones de su entorno. Ambos equipos utilizaron los núcleos de torio para detectar esa desviación y enviar una corrección al láser. El proceso se parece al de un termostato: medir la diferencia respecto del valor deseado y ajustar el sistema para que vuelva a ese valor.
Los núcleos absorben la luz con mayor intensidad cuando la frecuencia del láser coincide con su transición. Al medir los cambios en la luz que atraviesa el cristal, los investigadores determinan cuánto se ha desviado el láser de la frecuencia deseada.
Schumm, profesor del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien, explicó el principio en el anuncio del experimento de la universidad:
«La idea básica es sencilla: se necesita un láser y torio. El láser cambia el estado de energía de los núcleos de torio, y los núcleos de torio se utilizan para estabilizar la frecuencia del láser».
Medir la absorción también permite obtener correcciones más rápido que esperar a que los núcleos excitados emitan luz. El equipo chino midió una vida útil del estado excitado de 631 segundos, unos 10,5 minutos. Las mediciones de absorción permiten que el sistema de retroalimentación responda mientras esos núcleos aún están excitados.
El reloj de Viena funcionó durante un día sin intervención
El estudio del circuito de retroalimentación del equipo austríaco describe un láser continuo que opera cerca de los 148 nanómetros y un cristal de apenas unos milímetros. El cristal se mantuvo cerca de la temperatura ambiente, a unos 294,7 kelvin, o 21,6 grados Celsius.
El equipo generó la luz ultravioleta mediante una conversión de frecuencia con un cristal de tetraborato de estroncio. Un detector situado detrás del cristal de torio contó los fotones transmitidos y proporcionó la señal de absorción utilizada para corregir el láser.
TU Wien afirma que el prototipo funcionó durante más de 24 horas sin intervención. Para evaluar su rendimiento, los investigadores lo compararon con un reloj basado en un ion de iterbio, utilizando una señal de referencia suministrada mediante una conexión de fibra óptica desde la Oficina Federal de Metrología y Topografía de Austria.
La comparación arrojó una inestabilidad fraccional de la frecuencia descrita como 3 × 10⁻¹² dividido por la raíz cuadrada del tiempo de promediación en segundos. En términos sencillos, las fluctuaciones aleatorias se redujeron a medida que los investigadores promediaron más mediciones, acercándose al nivel de 10⁻¹⁵ en un día.
El dispositivo puede recibir del torio correcciones continuas de frecuencia, mientras que un reloj atómico proporciona una referencia externa para evaluar su rendimiento. Esta combinación permitió a los investigadores estudiar tanto la estabilidad de su funcionamiento como la distinta respuesta de su referencia nuclear en comparación con una electrónica.
China utilizó un láser más brillante y cristales mejorados
El estudio del reloj sincronizado del equipo chino describe una fuente distinta de luz de 148,4 nanómetros. Los investigadores combinaron campos láser en vapor de cadmio calentado a 600 grados Celsius y generaron 10 microwatios de radiación ultravioleta continua.
Alrededor de 5 microwatios llegaron a la parte frontal del cristal de torio. Aunque esa potencia es ínfima en comparación con la iluminación doméstica, producir luz estable y de frecuencia estrecha en esta longitud de onda plantea importantes desafíos técnicos.
El equipo también mejoró la detección de la débil absorción nuclear. Un fototubo que medía directamente la corriente podía recibir más luz transmitida que la configuración anterior con un fotomultiplicador. Al detectar más fotones, se obtuvo una señal más clara para determinar cómo corregir el láser.
El desarrollo de materiales aportó otra mejora. El primer cristal, S1, se cultivó en el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái. Un segundo, TS1, se produjo gracias a la colaboración entre el Instituto de Cerámica de Shanghái y la Universidad de Tsinghua. TS1 transmitió el 7 % de la luz ultravioleta, frente a cerca del 1 % de S1.
TS1 se fabricó a partir de una solución de crecimiento que contenía apenas 1,4 microgramos de torio-229. La escasez del isótopo dejó poco material para repetir los intentos de perfeccionar el proceso de crecimiento. El cristal resultante no tenía las burbujas presentes en S1 y proporcionó una señal de absorción más intensa.
Tras realizar ajustes adicionales, el reloj chino alcanzó una inestabilidad de 5 × 10⁻¹³ dividido por la raíz cuadrada del tiempo de promediación en segundos. Su coeficiente numérico es seis veces menor que el de Viena, 3 × 10⁻¹². Cada equipo midió el rendimiento en su propio aparato, con referencias y condiciones de funcionamiento diferentes.
Qué significa un segundo en 30 millones de años
La llamativa comparación temporal surge de expresar una diferencia fraccional de frecuencia de aproximadamente 10⁻¹⁵ como una diferencia acumulada en el tiempo. Con una desviación constante de ese tamaño, se tardaría unos 30 millones de años en acumular un segundo de error.
Los experimentos midieron el comportamiento de los relojes durante ensayos de laboratorio de varias horas o de aproximadamente un día. La estabilidad describe cuánto fluctúa la frecuencia a medida que se acumulan las mediciones. La exactitud indica cuánto se aproxima esa frecuencia al valor previsto una vez que se tienen en cuenta los efectos que la desplazan.
La reproducibilidad es otro requisito práctico: un reloj debe volver a la misma frecuencia después de reiniciarse, y otro dispositivo fabricado con un cristal distinto necesita una frecuencia de referencia bien caracterizada.
Las mediciones de Viena en distintos días reprodujeron la frecuencia con una variación de aproximadamente 5 × 10⁻¹³, mayor que las fluctuaciones alcanzadas mediante el promediado durante una sesión continua. Los investigadores relacionaron este problema con pequeños cambios en la trayectoria del láser a través del cristal después de volver a alinearlo.
El equipo chino midió una diferencia de unos 560 hercios entre los cristales fabricados de forma independiente. En relación con una frecuencia de transición de unos 2.020 billones de hercios, esa diferencia fue de 2,8 × 10⁻¹³. Estas mediciones ofrecen a los especialistas en ciencia de materiales un objetivo concreto para mejorar la consistencia.
Un reloj se convierte en un experimento sobre materia oscura
El equipo de Viena también comparó las frecuencias del torio y del iterbio para buscar posibles efectos de la materia oscura ultraligera. La materia oscura es materia invisible cuya existencia se infiere por su influencia gravitatoria; algunas teorías proponen partículas extremadamente ligeras que podrían alterar sutilmente las magnitudes que rigen la materia ordinaria.
Esos cambios podrían hacer que los dos relojes respondieran de forma distinta. La energía de transición inusualmente baja del torio se debe a una casi cancelación entre contribuciones energéticas electromagnéticas y nucleares mucho mayores. Por ello, un pequeño cambio en esas contribuciones podría producir una variación relativamente grande en la frecuencia de transición.
Los investigadores buscaron variaciones periódicas y cambios graduales en escalas de tiempo de entre unos 20 segundos y un día. Ninguna señal periódica superó el umbral de detección. Utilizaron las mediciones para establecer límites superiores a la intensidad de las interacciones propuestas por los modelos de materia oscura.
En las interacciones que involucran fotones, los límites fueron comparables a los de los principales experimentos con relojes atómicos similares. Para algunas interacciones relacionadas con la fuerza nuclear fuerte y los quarks, el análisis alcanzó sensibilidades entre 10 y 1.000 veces mayores que las de experimentos anteriores con relojes atómicos.
La sensibilidad exacta depende de propiedades nucleares que todavía no pueden calcularse con precisión. Incluso con su rendimiento actual para medir el tiempo, el reloj nuclear permite a los investigadores observar una respuesta física distinta de la de un reloj electrónico, lo que hace útil la comparación para la física fundamental.
Cómo décadas de trabajo condujeron a este avance
Los relojes en funcionamiento son el resultado de un largo esfuerzo para identificar la transición del torio con suficiente precisión como para que un láser pudiera actuar sobre ella. Cada etapa redujo la incertidumbre o aportó un elemento que faltaba en el aparato.
- 1976: La espectroscopia de rayos gamma inició la secuencia de investigaciones que permitió precisar la energía del estado excitado de baja energía del torio-229.
- 2003: Ekkehard Peik y Christian Tamm propusieron utilizar la transición como referencia para un reloj nuclear.
- 2016: Los investigadores confirmaron la existencia del estado nuclear excitado mediante su desintegración.
- Abril de 2024: La colaboración entre TU Wien y PTB demostró la excitación láser de la transición nuclear del torio.
- Septiembre de 2024: Un equipo centrado en JILA midió la frecuencia de transición con 12 cifras significativas mediante un peine de frecuencias ópticas y un reloj atómico de estroncio.
- 2025: Los avances en láseres ultravioleta continuos contribuyeron a hacer posibles mediciones rápidas de absorción.
- 7 de octubre de 2026: Los artículos de Austria y China describieron relojes en funcionamiento cuyos láseres reciben retroalimentación de la transición nuclear.
El cambio decisivo de 2026 fue integrar la fuente de luz, el cristal, el detector y el sistema de corrección automática en una referencia de frecuencia operativa. Ambos equipos se basaron en la espectroscopia anterior y resolvieron ese problema de control con diseños experimentales diferentes.
Mejorar la luz y los materiales son los próximos desafíos
El experimento de Viena detectó diferencias de hasta unos 1,7 kilohercios al sondear distintas zonas del mismo cristal con el láser. Los investigadores sospechan que se deben a tensiones internas desiguales relacionadas con variaciones estructurales. Mantener el haz en el mismo volumen, distribuir el torio de forma más uniforme y mejorar el crecimiento de los cristales podría hacer más reproducible la frecuencia.
La anchura de resonancia medida fue de unos 100 kilohercios en el aparato de Viena y de 27 kilohercios en la transición del reloj chino en TS1. Una resonancia más estrecha puede facilitar la detección de un pequeño desplazamiento de frecuencia, aunque la cantidad de luz disponible y el ruido del detector también determinan el rendimiento.
El equipo chino controló la temperatura del cristal y utilizó un blindaje magnético para reducir las perturbaciones. Sus mediciones relacionaron fluctuaciones de temperatura de tres milésimas de grado con fluctuaciones de frecuencia de unos seis hercios, lo que muestra por qué el control del entorno sigue siendo importante incluso con una referencia nuclear.
El equipo de Schumm prevé que nuevos avances podrían mejorar la estabilidad en unos cuatro órdenes de magnitud, es decir, por un factor de 10.000. Entre los cambios propuestos figuran láseres ultravioleta más potentes y mejores cristales de torio. No se ha anunciado un plazo para alcanzar ese rendimiento.
Los relojes atómicos ya se utilizan en la navegación por satélite, las comunicaciones y las marcas de tiempo de alta precisión. El logro inmediato es una nueva referencia de laboratorio y una herramienta funcional para los experimentos de física. Para ampliar su uso será necesario contar con cristales más consistentes, un funcionamiento más estable y un mejor control de los desplazamientos de frecuencia.
Puntos clave
- Equipos de Austria y China publicaron demostraciones independientes de relojes nucleares de torio-229 en funcionamiento el 7 de octubre de 2026.
- Ambos relojes utilizan la absorción nuclear en cristales de fluoruro de calcio para corregir automáticamente la frecuencia de un láser.
- Los experimentos alcanzaron una inestabilidad de frecuencia de alrededor de 10⁻¹⁵, aunque los mejores relojes atómicos ópticos siguen ofreciendo un rendimiento superior.
- El reloj de Viena funcionó durante más de un día sin intervención y estableció límites para las interacciones propuestas de la materia oscura ultraligera.
- El equipo chino mejoró el rendimiento con una fuente ultravioleta más brillante, otro tipo de detector y un cristal más transparente.
- Los láseres más potentes y los cristales más uniformes son fundamentales para mejorar la estabilidad y la reproducibilidad.
