Los primeros relojes nucleares ya marcan la hora en Viena y Pekín tras 50 años

Un reloj nuclear, que mide el tiempo con el núcleo de un átomo en lugar de sus electrones, por fin ha empezado a funcionar. En Viena, un láser fijado a núcleos de torio encapsulados dentro de un cristal mantuvo su propio ritmo durante más de un día completo sin que nadie lo manipulara, y un equipo de Pekín construyó por su cuenta un segundo reloj del mismo tipo.

Esto los convierte en los primeros relojes nucleares operativos, un dispositivo que los físicos han perseguido durante décadas. El núcleo es diminuto y está protegido por su propia nube electrónica, por lo que los campos parásitos, el calor y las vibraciones apenas lo afectan. Un reloj basado en él podría algún día medir el tiempo con mayor estabilidad que los relojes atómicos que sustentan la navegación satelital, internet y la definición del segundo.

El reloj de Viena procede del grupo de Thorsten Schumm en TU Wien y del grupo de Ekkehard Peik en PTB, el instituto nacional de metrología de Alemania. El reloj de Pekín procede de un equipo de la Universidad Tsinghua dirigido por Shiqian Ding, que trabaja junto con otras 13 instituciones chinas. Ambos artículos aparecieron en el mismo número de Nature, y ambos emplean el mismo isótopo raro, el torio-229.

«La creación de un reloj nuclear fue algo con lo que los físicos soñaron durante casi 50 años», declaró Schumm a Reuters. Su propio equipo ha trabajado para conseguirlo desde 2008.

Cómo un cristal y un láser miden el tiempo

Todo reloj necesita algo que oscile a un ritmo fijo. En un reloj de péndulo, es el péndulo. En un reloj atómico, es la luz que absorbe un electrón cuando salta entre dos niveles de energía, la cual, en los mejores relojes ópticos modernos, oscila mucho más rápido de lo que podría hacerlo cualquier componente mecánico.

Un reloj nuclear traslada esa función al núcleo. Los protones y neutrones también tienen niveles de energía, pero casi todos se encuentran demasiado altos para que cualquier láser pueda alcanzarlos. El torio-229 es la excepción: su núcleo tiene un estado excitado lo bastante bajo como para ser activado por luz ultravioleta de vacío con una longitud de onda de unos 148 nanómetros. Alcanzarlo sigue siendo difícil. Según PTB, el láser debe coincidir con la energía de transición con una precisión de una millonésima de electrón voltio.

El equipo de Schumm cultivó cristales de fluoruro de calcio dopados con torio-229, piezas de tamaño milimétrico que contienen enormes cantidades de núcleos a temperatura ambiente. «La idea básica es sencilla: tienes un láser y tienes torio», afirmó Schumm. Los núcleos absorben luz solo a una frecuencia precisa. Si el láser se desvía, por ejemplo porque la habitación se calienta ligeramente, el cristal absorbe menos; un detector registra la caída y un circuito de retroalimentación devuelve el láser a su posición. Los núcleos se convierten en la referencia, y la frecuencia corregida del láser se transforma en el pulso del reloj.

Dos cambios técnicos hicieron esto posible. PTB y el Instituto Max Born de Berlín construyeron un láser compacto de estado sólido que emite de forma continua; el sistema anterior ocupaba varios metros cuadrados de mesas ópticas y solo disparaba en pulsos. Los equipos también dejaron de contar el tenue resplandor que emiten los núcleos después de la excitación, cuya lectura tardaba unos diez minutos, demasiado para controlar un láser. En su lugar, miden cuánta potencia láser absorbe el cristal, una señal lo bastante rápida para cerrar el circuito.

Viena frente a Pekín

El reloj de Viena funcionó sin supervisión durante más de 24 horas mientras se lo comparaba con un reloj atómico óptico convencional. Su inestabilidad fraccional fue de aproximadamente 3 × 10⁻¹² durante un segundo de promediado, y esa dispersión se redujo hacia 10⁻¹⁵ a lo largo de un día. TU Wien traduce esto en un error de aproximadamente un segundo en 30 millones de años, una cifra medida durante una prueba de un día, no observada durante millones de años.

El reloj de Pekín es más estable en intervalos cortos. Su inestabilidad durante un segundo es aproximadamente seis veces menor que la de Viena, según cifras reportadas por Physics World. El equipo de Ding construyó su propio láser continuo de 148,4 nanómetros y mayor potencia, y aprendió a cultivar pequeños cristales a partir de apenas 1,4 microgramos de torio-229, porque China tiene acceso limitado al isótopo. Dos cristales cultivados de forma independiente dieron la misma frecuencia de transición, que también coincidió con mediciones previas de JILA en Colorado.

Schumm considera que ambos resultados son complementarios. Los cristales de Viena tienen una mayor concentración de torio y mejores propiedades ópticas, declaró a Reuters, mientras que el equipo de Pekín cuenta con el láser más potente. «Así que, simplemente al reunir estos componentes, podemos construir un reloj significativamente mejor», afirmó.

«Los dos equipos trabajaron de manera independiente y lograron al mismo tiempo relojes nucleares de torio-229 operativos, utilizando enfoques experimentales distintos», declaró Ding a Reuters, y añadió que esto demuestra que «el concepto es robusto».

Lo que estos relojes todavía no hacen

Ninguno de los dos relojes supera a los relojes atómicos con los que fue medido. «Esto aún no está al nivel de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo», dijo Schumm. Peik lo expresó con mayor contundencia en el anuncio de PTB: la estabilidad «todavía no establece ningún récord mundial».

La mayor brecha está en la nitidez de la resonancia. «Ahora hemos observado un ancho de línea de 30 kHz, pero el ancho de línea natural debería estar muy por debajo de 1 Hz», declaró Peik a Physics World. Una resonancia borrosa implica un pulso borroso. El propio cristal es parte del rompecabezas: el torio se sitúa en varios lugares distintos dentro de la red de fluoruro de calcio, y los equipos aún están determinando cómo esto moldea la resonancia. Ding ha señalado que los cristales anfitriones de fluoruro de calcio limitan el rendimiento y que se necesitan mejores materiales anfitriones.

Ambas máquinas son también prototipos de laboratorio. Dependen de relojes de referencia para la comparación, de láseres ultravioletas hechos a medida y de un isótopo difícil de obtener. Un dispositivo robusto que pueda transportar un barco, un satélite o un centro de datos todavía está muy lejos en términos de ingeniería.

Por qué los físicos quieren un reloj mejor

Los relojes ya determinan más aspectos de la vida cotidiana de los que la mayoría de las personas percibe. La navegación satelital calcula la posición a partir de diminutas diferencias en el tiempo de las señales. Las redes de datos se sincronizan con el tiempo atómico. Los topógrafos y geofísicos aprovechan el hecho de que los relojes avanzan a velocidades distintas según la altura dentro de la gravedad terrestre.

Un reloj nuclear aporta dos cosas. En primer lugar, un diseño de estado sólido, sin átomos atrapados ni iones retenidos en una cámara de vacío, podría terminar haciendo que la medición precisa del tiempo sea más pequeña y resistente. En segundo lugar, la transición del torio depende de las fuerzas dentro del núcleo, por lo que debería reaccionar con mucha más intensidad que las transiciones atómicas si una constante de la naturaleza varía o si alguna forma de materia oscura ejerce influencia sobre la materia ordinaria. El equipo de Viena ya realizó esa prueba con su prototipo. No encontró ninguna señal de materia oscura, pero sus límites sobre el acoplamiento de la materia oscura con la luz y con la fuerza fuerte ya son comparables a los establecidos por los mejores relojes atómicos.

Victor Flambaum, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, que no participó en el trabajo, calificó los dispositivos como los «primeros prototipos de relojes nucleares». El veredicto de Schumm fue más amplio: «Da acceso a un universo completamente nuevo de física».

Preguntas frecuentes sobre el reloj nuclear

¿Qué es un reloj nuclear?

Un reloj nuclear mide el tiempo utilizando una transición dentro de un núcleo atómico, en lugar de un salto entre niveles de energía de los electrones. Un láser se ajusta a la frecuencia exacta que absorbe el núcleo, y esa frecuencia se convierte en el pulso del reloj. El torio-229 es el único núcleo conocido con una transición de energía suficientemente baja para poder alcanzarse con un láser.

¿Un reloj nuclear es radiactivo o peligroso?

No tiene nada que ver con la fisión ni con la fusión y no produce energía nuclear. El torio-229 es un isótopo radiactivo, pero los relojes utilizan cantidades ínfimas encerradas dentro de un cristal, y el láser solo impulsa el núcleo a un estado de energía ligeramente superior.

¿Un reloj nuclear es más preciso que un reloj atómico?

Todavía no. Los prototipos de Viena y Pekín son menos estables que los mejores relojes atómicos ópticos. La expectativa es que el núcleo, al ser mucho más pequeño y estar mejor protegido que la envoltura electrónica, permita finalmente un mejor rendimiento cuando mejoren los láseres y los cristales.

¿Para qué podrían utilizarse los relojes nucleares?

Los investigadores mencionan la navegación satelital, la sincronización de redes, la topografía y la física fundamental. Dado que la transición del torio es muy sensible a las fuerzas dentro del núcleo, estos relojes también son herramientas para buscar materia oscura y cambios en las constantes de la naturaleza.

Láseres más potentes, mejores cristales e iones individuales

El núcleo de torio fue excitado por primera vez con un láser en abril de 2024 por los equipos de Schumm y Peik, décadas después de que Peik propusiera el principio del reloj nuclear en 2003. Ese otoño, el montaje se conectó a un reloj atómico óptico convencional. El reloj de Viena autoestabilizado se describe en un artículo de Nature publicado el 7 de octubre de 2026, junto al artículo de Tsinghua en el mismo número y a un estudio complementario de PTB y TU Wien sobre la absorción de un láser continuo por el núcleo de torio, publicado en Nature en septiembre.

Los siguientes pasos son concretos. El grupo de Peik planea aumentar la potencia del láser, mejorar la relación señal-ruido del detector y cartografiar cómo se sitúa el torio en el cristal para descubrir qué difumina la resonancia. El equipo de Ding busca cristales anfitriones mejores que el fluoruro de calcio y se interesa por un reloj basado en iones individuales de torio atrapados, que Ding calificó de «técnicamente mucho más difícil», pero posiblemente la vía hacia la máxima precisión.

Referencias: Toscani De Col et al., «A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop», Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., «A nuclear clock synchronized to 229Th», Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Etiquetas: física, PTB, reloj atómico, reloj nuclear, thorium-229, Tsinghua University