Los relojes nucleares son dispositivos teóricos que usarían la frecuencia de una transición nuclear como su frecuencia de referencia, de la misma manera que un reloj atómico usa la frecuencia de una transición electrónica en la capa de un átomo.
La ventaja de los relojes nucleares es que las transiciones nucleares son mucho más estables y menos sensibles a las perturbaciones externas que las transiciones electrónicas, lo que permitiría una mayor precisión y exactitud en la medición del tiempo2.
Los relojes nucleares se basarían en el fenómeno de la resonancia magnética nuclear (RMN), que consiste en la absorción o emisión de radiación electromagnética por parte de los núcleos atómicos cuando se someten a un campo magnético externo.
La frecuencia de la radiación depende del tipo de núcleo, del campo magnético y del entorno químico. Algunos núcleos tienen niveles de energía muy cercanos entre sí, lo que da lugar a transiciones muy finas y estrechas, ideales para usar como referencia temporal.
¿Qué tipos de relojes nucleares existen?
Actualmente, los relojes nucleares son solo un concepto teórico, pero hay varios proyectos e ideas para hacerlos realidad. Algunos ejemplos son:
El reloj nuclear de torio-229
Este reloj se basaría en la transición entre dos estados excitados del núcleo de torio-229, que tiene una energía muy baja, alrededor de 8 electronvoltios (eV). Esta energía corresponde a una frecuencia óptica de unos 150 nanómetros (nm), en el rango del ultravioleta.
El reto de este reloj es producir y almacenar átomos de torio-229 en el estado excitado adecuado, y detectar la radiación emitida con precisión4.
El reloj nuclear de mercurio-199
Se trata de un reloj que se basaría en la transición entre dos estados hiperfinos del núcleo de mercurio-199, que tiene una energía de unos 2 kiloelectronvoltios (keV). Esta energía corresponde a una frecuencia de unos 500 picómetros (pm), en el rango de los rayos X. El desafío de este reloj es generar y medir la radiación de rayos X con alta resolución, y evitar las interferencias con el entorno5.
El reloj nuclear sintético
Este reloj se basaría en la creación artificial de un estado nuclear coherente, mediante el acoplamiento óptico entre dos átomos diferentes. Por ejemplo, se podría usar un átomo de estroncio-87 y otro de iterbio-171, que tienen transiciones ópticas similares. Al iluminarlos con un láser común, se podría inducir una superposición cuántica entre los dos núcleos, que actuaría como un reloj nuclear efectivo6.
¿Qué aplicaciones tendrían los relojes nucleares?
Los relojes nucleares tendrían múltiples aplicaciones en ciencia, tecnología y sociedad, gracias a su potencial para mejorar la precisión y exactitud del tiempo. Algunas posibles aplicaciones son:
La navegación por satélite:
Los sistemas actuales como el GPS o el Galileo dependen de la sincronización precisa entre los relojes atómicos a bordo de los satélites y los receptores en tierra. Los relojes nucleares podrían aumentar la resolución espacial y temporal de estos sistemas, permitiendo una localización más precisa y segura.
La metrología:
Los relojes nucleares podrían contribuir a la definición y realización del segundo, la unidad básica de tiempo en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Los relojes nucleares podrían ofrecer una mayor estabilidad y reproducibilidad que los actuales relojes atómicos basados en cesio o rubidio.
La física fundamental:
Los relojes nucleares podrían servir para poner a prueba las leyes de la física y explorar fenómenos como la relatividad, la gravedad, la materia oscura o la variación de las constantes fundamentales. Los relojes nucleares podrían detectar pequeñas diferencias en el paso del tiempo en diferentes condiciones o lugares, lo que podría revelar nuevos aspectos de la naturaleza.
