Un reloj construido en Singapur podría seguir marcando la hora con un desvío de apenas un segundo cuando hayan pasado más de 260.000 millones de años. Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) presentaron el reloj atómico óptico de lutecio más preciso conocido hasta ahora, un avance que supera cuatro veces la exactitud del dispositivo que lideraba esta carrera tecnológica.
El desarrollo fue publicado en la revista Nature y representa más de una década de trabajo del equipo dirigido por el físico Murray Barrett. Aunque el dispositivo permanece en un laboratorio, sus responsables confían en que su diseño permita reducir su tamaño y, con el tiempo, trasladarlo a otros entornos.
La precisión de los relojes no es una cuestión reservada a los laboratorios. Los sistemas de navegación satelital, las redes de telecomunicaciones y ciertas mediciones científicas dependen de referencias temporales cada vez más estables. Una mejora en esa capacidad puede ayudar a detectar variaciones mínimas en la gravedad de la Tierra o a buscar señales asociadas con la materia oscura.
El reloj de lutecio supera cuatro veces la precisión del anterior récord
El nuevo sistema utiliza iones de lutecio, un metal de tierras raras, como referencia para medir el paso del tiempo. De acuerdo con la investigación, el aparato alcanza una exactitud cuatro veces superior a la del anterior reloj más preciso, basado en iones de calcio.
La comparación permite dimensionar el margen de error: el reloj perdería o ganaría un segundo después de más de 260.000 millones de años. Esa cifra es muy superior a la edad estimada del universo, de unos 13.800 millones de años.
Los relojes atómicos convencionales ya usan 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 empleadas en otros relojes atómicos. Cuantas más oscilaciones se pueden contar con estabilidad, más fina resulta la medición del tiempo.
El informe difundido por Nature señala que el trabajo de la NUS, en Singapur, coloca 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 para medir el tiempo
El funcionamiento del equipo se apoya en una propiedad física muy específica 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 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 manera más sencilla, el átomo de lutecio funciona como una regla extremadamente precisa. Los científicos 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 consiste 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.
Dos relojes de lutecio verificaron una comparación sin precedentes
El equipo de Singapur 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.
Relojes atómicos más precisos para 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 trasladarse a 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.
