Un avance que desafía la escala temporal del universo
Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) ha logrado desarrollar un dispositivo de cronometraje que podría marcar la hora con un desfase de apenas un segundo tras 260.000 millones de años. Se trata del reloj atómico óptico de lutecio más preciso jamás construido, capaz de multiplicar por cuatro la exactitud del modelo que ostentaba el récord anterior.
Los detalles del hallazgo fueron publicados en la prestigiosa revista Nature, tras más de una década de trabajo liderado por el físico Murray Barrett. Aunque el prototipo permanece confinado en un laboratorio, sus creadores confían en que el diseño permita reducir las dimensiones del sistema y, eventualmente, trasladarlo a otras instalaciones.
La relevancia de esta mejora trasciende el ámbito científico: los sistemas de navegación por satélite, las redes de telecomunicaciones y ciertas mediciones experimentales dependen de referencias temporales extremadamente estables. Una mayor precisión en los relojes puede facilitar la detección de variaciones mínimas en la gravedad terrestre o la búsqueda de señales vinculadas con la materia oscura.
Lutecio: el material que multiplica la exactitud
El nuevo sistema emplea iones de lutecio, un metal de tierras raras, como base para medir el paso del tiempo. Según los datos del estudio, el artefacto alcanza una precisión cuatro veces superior a la del anterior reloj más exacto, que se basaba en iones de calcio.
Para dimensionar el margen de error, los científicos explican que el reloj perdería o ganaría un segundo después de más de 260.000 millones de años. Esta cifra supera ampliamente la edad estimada del universo, calculada en cerca de 13.800 millones de años.
Los relojes atómicos convencionales ya aprovechan las propiedades estables de ciertos átomos para fijar una frecuencia de referencia. En los dispositivos ópticos, esa frecuencia corresponde a la luz visible o cercana al espectro visible, que oscila mucho más rápido que las microondas usadas en otros relojes atómicos. Cuantas más oscilaciones se pueden contar con estabilidad, más fina resulta la medición del tiempo.
El informe de Nature señala que el trabajo de la NUS sitúa al lutecio entre los candidatos más sólidos para la próxima generación de instrumentos de cronometraje de máxima precisión.
Un solo ion y un láser estabilizado como método de medición
El funcionamiento del equipo se apoya en una propiedad física muy concreta del lutecio. Sus electrones absorben luz a una frecuencia determinada y, al hacerlo, pueden pasar a un estado de mayor energía. Esa transición ocurre de forma predecible y sirve como una referencia natural, según detallaron los investigadores.
Los científicos observaron de manera continua un ion de lutecio y ajustaron un láser hasta coincidir con la frecuencia exacta que provoca esa transición. A partir de allí, las oscilaciones de la luz láser se convierten en los pulsos que el reloj cuenta.
Dicho de forma sencilla, el átomo de lutecio funciona como una regla extremadamente precisa. Los investigadores buscan la “nota” exacta de luz que hace reaccionar a uno de sus electrones y ajustan el láser hasta que suene siempre en esa misma frecuencia. Luego, el reloj cuenta las vibraciones de esa luz, que se repiten de forma tan regular que permiten medir el tiempo con una precisión excepcional.
Este método permite evitar muchas de las variaciones que afectan a mecanismos convencionales. En lugar de recurrir a engranajes o a un cristal de cuarzo, el reloj toma como patrón un proceso interno de un átomo. La dificultad radica en aislar el sistema de perturbaciones externas, como campos magnéticos, radiación térmica o movimientos que puedan alterar la frecuencia medida.
La coincidencia de los dos relojes llegó hasta el decimonoveno dígito, según los autores del estudio. Para comprobar que un instrumento es realmente exacto, no basta con calcular su posible margen de error: hace falta confrontar su desempeño con otra referencia independiente de nivel comparable.
Verificación mediante la comparación directa de dos relojes
El equipo singapurense construyó dos relojes de lutecio y comparó sus resultados. Ese procedimiento permitió verificar de forma experimental el rendimiento que habían estimado para la tecnología.
“Si solo se tiene un reloj, ¿cómo se sabe que es exacto?”, planteó Barrett en declaraciones recogidas por Nature.
La respuesta del grupo fue poner frente a frente dos sistemas casi idénticos y medir si sus señales permanecían sincronizadas con una diferencia mínima.
David Leibrandt, físico de la Universidad de California en Los Ángeles que trabaja con relojes de ultraalta precisión, calificó de “impresionante” la exactitud alcanzada. También destacó la verificación mediante la comparación directa entre dos relojes, una etapa clave para respaldar el resultado.
El logro se apoya en las ventajas físicas del lutecio. Este elemento presenta características que reducen algunos efectos que suelen limitar a otros relojes ópticos, entre ellos las alteraciones vinculadas con los campos eléctricos y el entorno térmico. Esa estabilidad facilita que la frecuencia de transición atómica se mantenga como una referencia consistente.
Aplicaciones en satélites, gravedad y física fundamental
La mejora puede tener consecuencias en áreas que requieren sincronización extrema. Los sistemas de posicionamiento por satélite, por ejemplo, calculan ubicaciones a partir del tiempo que tardan las señales en viajar entre un satélite y un receptor. Errores muy pequeños en los relojes pueden traducirse en diferencias relevantes en la posición estimada.
También existe interés en usar redes de relojes ópticos para medir cambios diminutos en el campo gravitacional terrestre. La relatividad general establece que el tiempo transcurre a velocidades distintas según la intensidad de la gravedad. Por ello, un reloj situado a una altura diferente puede registrar una variación temporal minúscula frente a otro ubicado más abajo.
Con instrumentos de este nivel, los científicos podrían detectar cambios asociados con movimientos de masas bajo tierra, variaciones del nivel del mar o procesos geológicos. La medición del tiempo puede funcionar así como una herramienta para observar la gravedad, además de ordenar las actividades humanas.
Otra aplicación posible está vinculada con la física fundamental. Algunos investigadores buscan señales de materia oscura a través de cambios extremadamente sutiles en constantes de la naturaleza o en la frecuencia de relojes atómicos separados por grandes distancias. Un aumento de la precisión amplía la capacidad de identificar esas anomalías, aunque todavía no implica que se haya detectado ese fenómeno.
Fuente: Infobae