Cómo funcionan los relojes nucleares y por qué superan a los atómicos

El próximo gran salto en la medición del tiempo

Los mejores relojes atómicos actuales pierden aproximadamente un segundo cada 30.000 millones de años. Eso ya suena absurdo, pero los físicos quieren hacerlo aún mejor. Un nuevo tipo de reloj llamado reloj nuclear promete una precisión hasta diez veces mayor midiendo los cambios de energía en el interior del núcleo atómico en lugar de en la nube de electrones circundante. Tras décadas de trabajo teórico, varios equipos de investigación de Estados Unidos, Europa, China y Japón compiten ahora por construir el primer prototipo práctico.

Cómo funcionan los relojes atómicos

Todo reloj de precisión necesita un "tic" fiable. En un reloj atómico, ese tic proviene de los electrones que saltan entre niveles de energía cuando son alcanzados por luz de microondas o láser a la frecuencia exacta. Los científicos ajustan el láser hasta que los átomos absorben al máximo, y luego cuentan los ciclos de onda de la luz. Cuanto mayor es la frecuencia, más fina es la regla, y más preciso es el reloj.

Pero los electrones orbitan lejos del núcleo, lo que los hace sensibles a los campos eléctricos y magnéticos parásitos, los cambios de temperatura y otros ruidos ambientales. Ni siquiera el mejor blindaje puede eliminar todas las perturbaciones.

Pasando a lo nuclear: un tic más pequeño y estable

Un reloj nuclear funciona según el mismo principio, pero se centra en una transición dentro del núcleo, donde los protones y neutrones están empaquetados por la fuerza nuclear fuerte. Dado que el núcleo es aproximadamente 100.000 veces más pequeño que la nube de electrones, está mucho más protegido de las interferencias externas. Ese aislamiento natural significa menos perturbaciones y, en teoría, una referencia de frecuencia mucho más estable.

El problema es la energía. La mayoría de las transiciones nucleares requieren rayos X o rayos gamma, frecuencias demasiado altas para cualquier láser práctico. Durante décadas, eso hizo de los relojes nucleares una curiosidad teórica.

Por qué el torio-229 lo cambia todo

Entre todos los isótopos conocidos, el torio-229 es único. Posee un estado nuclear metaestable —llamado isómero— a una energía extraordinariamente baja de unos 8,4 electronvoltios. Eso sitúa la transición al alcance de los láseres ultravioleta de vacío, el tipo de láseres que los científicos pueden construir y controlar en una mesa.

Precisar esa energía llevó décadas de minucioso trabajo. Como el físico Eric Hudson de la UCLA dijo a Nature, encontrar la frecuencia de transición era como buscar una aguja en un pajar órdenes de magnitud mayor que cualquier pajar literal. Un experimento histórico de 2024 en JILA, una asociación entre el NIST y la Universidad de Colorado, finalmente midió la transición nuclear del torio-229 con una precisión un millón de veces mejor que cualquier intento anterior, estableciendo el primer vínculo de frecuencia directo entre una transición nuclear y un reloj atómico.

De curiosidad de laboratorio a dispositivo práctico

Los recientes avances han acelerado el calendario. Los investigadores han descubierto que el electrochapado de pequeñas cantidades de torio sobre acero puede sustituir a los delicados cristales, lo que simplifica enormemente la ingeniería. Un enfoque de estado sólido —incrustar núcleos de torio dentro de una red cristalina— significa que se pueden empaquetar miles de emisores, aumentando la señal y manteniendo el dispositivo lo suficientemente compacto para su despliegue en el campo.

Casi una docena de equipos en todo el mundo están ensamblando ahora los componentes clave: fuentes radiactivas de torio-229 y potentes láseres ultravioleta de onda continua. Se esperan ampliamente las primeras mediciones de relojes nucleares en 2026, y los físicos prevén que los dispositivos maduros podrían llegar a resolver 20 o 21 dígitos de frecuencia, perdiendo sólo un segundo en billones de años.

Lo que los relojes nucleares podrían desbloquear

La medición del tiempo de ultraprecisión tiene consecuencias que van mucho más allá de la puntualidad:

• GPS y navegación: una precisión de posicionamiento a nivel de centímetros o incluso milímetros beneficiaría a los vehículos autónomos, la agricultura de precisión y la tecnología de asistencia para personas con discapacidad visual.
• Detección de materia oscura: la materia oscura interactúa de forma diferente con los núcleos que con los electrones. La comparación de un reloj nuclear con un reloj atómico podría revelar sutiles desviaciones de frecuencia que los detectores convencionales no detectan.
• Física fundamental: dado que la transición nuclear del torio es sensible tanto a la fuerza fuerte como a la fuerza electromagnética, los relojes nucleares pueden comprobar si las llamadas constantes de la naturaleza —como la constante de estructura fina— se mantienen realmente constantes a lo largo del tiempo.

Un tic que merece la pena esperar

Los relojes nucleares no sustituirán a los relojes atómicos de la noche a la mañana. El mejor prototipo actual resuelve sólo 12 dígitos de frecuencia, en comparación con los 18 de los mejores relojes atómicos ópticos. Pero la comunidad física es optimista y cree que la diferencia se cerrará rápidamente a medida que mejoren la tecnología láser y el manejo del torio. Cuando eso ocurra, el reloj nuclear podría convertirse en el instrumento más preciso que la humanidad haya construido jamás, y en una nueva ventana a los mecanismos más profundos del universo.