Los relojes son mucho más que instrumentos para medir el paso del tiempo, son herramientas fundamentales para la tecnología moderna. La precisión extrema de los relojes atómicos ha permitido la sincronización de redes globales, la navegación por GPS y experimentos en física fundamental. Ahora, los relojes nucleares prometen superar estas capacidades, ofreciendo no solo una mayor estabilidad, sino también nuevas aplicaciones científicas.
Un estudio reciente, publicado en Nature, ha marcado un hito hacia la fabricación de estos relojes revolucionarios. Un equipo liderado por Chuankun Zhang y Eric Hudson ha demostrado cómo crear capas ultradelgadas de fluoruro de torio-229 (229ThF4 ) mediante deposición física de vapor, reduciendo el material necesario y haciendo posible diseños portátiles. Este avance pone al alcance de la mano un tipo de reloj que podría redefinir la medición del tiempo y abrir puertas a nuevas investigaciones en física y cosmología.
Diferencias clave: relojes atómicos y nucleares
Aunque los relojes nucleares y atómicos comparten el objetivo de medir el tiempo con precisión extrema, difieren significativamente en su funcionamiento.
- Base de operación: Los relojes atómicos, como los de cesio o estroncio, se basan en transiciones entre niveles de energía de los electrones de un átomo. Por otro lado, los relojes nucleares utilizan transiciones dentro del núcleo atómico, mucho más estables frente a perturbaciones externas.
- Sensibilidad ambiental: Los niveles de energía nuclear están protegidos por la nube de electrones del átomo, lo que hace que los relojes nucleares sean menos susceptibles a los campos electromagnéticos que afectan a los relojes atómicos.
- Aplicaciones potenciales: Mientras que los relojes atómicos son ya el estándar en sistemas como el GPS y telecomunicaciones, los relojes nucleares tienen el potencial de explorar fenómenos como la materia oscura o cambios en las constantes fundamentales del universo.
Estas diferencias convierten a los relojes nucleares en una herramienta complementaria, con un enorme potencial para la ciencia y la tecnología.
Por qué el torio-229 es el protagonista
El torio-229 posee una característica única: una transición nuclear de baja energía, de aproximadamente 8,4 eV, que puede ser excitada por láseres ultravioleta. Esto lo convierte en el único núcleo conocido capaz de ser utilizado en un reloj nuclear.
Sin embargo, su uso plantea importantes obstáculos. En el mundo solo hay unos 40 gramos disponibles de este material, lo que ha limitado su empleo en experimentos. Tradicionalmente, se usaban cristales dopados con torio-229, pero este método consume grandes cantidades de material y genera estructuras poco uniformes.
El equipo de Zhang y Hudson ha encontrado una solución: depositar capas ultrafinas de 229ThF4 mediante deposición física de vapor (PVD), un proceso que requiere solo microgramos de material y produce películas homogéneas. Esto no solo reduce los costes, sino que también permite diseños más compactos y manejables.
Cómo funciona la técnica PVD
La deposición física de vapor es un método ampliamente utilizado en la fabricación de semiconductores. En este caso, el torio-229 se evapora desde un pequeño recipiente a altas temperaturas y se condensa sobre un sustrato cristalino, como el fluoruro de magnesio (MgF2) y óxido de aluminio (Al2O3) .
Los experimentos realizados por los investigadores lograron crear capas de entre 30 y 100 nanómetros de grosor, suficientes para observar la transición nuclear del torio-229. El tiempo de vida del estado excitado del núcleo, aunque más corto que en cristales dopados (150 segundos frente a 600), sigue siendo adecuado para la operación de un reloj nuclear.
Este avance abre la posibilidad de integrar relojes nucleares en dispositivos portátiles y sistemas fotónicos, un paso crucial hacia su comercialización y uso práctico.
Limitaciones y próximos pasos
A pesar de los avances, aún hay problemas por resolver. Solo el 1% de los núcleos de torio-229 en estas capas participa activamente en la transición nuclear. Esto podría deberse a defectos generados durante la deposición de vapor, que quitan eficiencia al material. Mejorar este proceso será esencial para aumentar la precisión y estabilidad del reloj.
Otro desafío importante es la miniaturización del láser ultravioleta necesario para excitar el núcleo. Aunque los sistemas actuales son funcionales en laboratorio, todavía no son viables para aplicaciones comerciales o portátiles.
¿Pero es peligroso tener algo “radiactivo” en el bolsillo?
El uso de torio-229 en los relojes nucleares deja en nuestra cabeza ciertas preguntas sobre su seguridad debido a su naturaleza radiactiva. Sin embargo, la cantidad utilizada en estos dispositivos es mínima, de apenas microgramos, lo que reduce considerablemente los riesgos. Por otra parte, la radiación emitida por el torio-229 es principalmente de tipo alfa, que no puede penetrar materiales sólidos ni la piel humana. Con diseños encapsulados adecuados, los dispositivos serían seguros para el uso cotidiano, comparables en seguridad a tecnologías existentes que emplean materiales radiactivos, como los detectores de humo. Problema resuelto.
Aplicaciones revolucionarias
Más allá de medir el tiempo con precisión, los relojes nucleares tienen aplicaciones profundas en varios campos:
- Física fundamental: Al ser menos sensibles a perturbaciones externas, los relojes nucleares podrían detectar materia oscura o medir cambios en las constantes fundamentales del universo.
- Tecnología de navegación: Sistemas como el GPS podrían beneficiarse de relojes más robustos y precisos, mejorando la sincronización global.
- Exploración espacial: La portabilidad y estabilidad de estos relojes los hacen ideales para misiones espaciales de larga duración.
Victor Flambaum, físico teórico, resalta que los relojes nucleares podrían ser clave para estudiar nuevos modelos físicos más allá del modelo estándar, gracias a la escala de energía nuclear, millones de veces mayor que la de los relojes atómicos.
Referencias
- Chuankun Zhang, Lars von der Wense, Jack F. Doyle, Jacob S. Higgins, Tian Ooi, Hans U. Friebel, Jun Ye, et al. 229ThF4 thin films for solid-state nuclear clocks. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08256-5
Cortesía de Muy Interesante
Dejanos un comentario: