Hito para el nuevo reloj atómico
El láser de rayos X muestra una posible vía para aumentar sustancialmente la precisión de la medición del tiempo
Un equipo internacional de investigación ha dado un paso decisivo hacia una nueva generación de relojes atómicos. En el láser de rayos X europeo XFEL, los investigadores han creado un generador de impulsos mucho más preciso basado en el elemento escandio, que permite una precisión de un segundo en 300.000 millones de años, es decir, unas mil veces más preciso que el actual reloj atómico estándar basado en el cesio. El equipo presenta su éxito en la revista Nature.
Una representación artística del reloj nuclear de escandio: los científicos utilizaron los impulsos de rayos X del XFEL europeo para excitar en el núcleo atómico del escandio el tipo de procesos que pueden generar una señal de reloj, con una precisión sin precedentes de un segundo en 300.000 millones de años.
European XFEL/Helmholtz-Institut Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger
En la actualidad, los relojes atómicos son los más precisos del mundo. Estos relojes han utilizado electrones de la corteza atómica de elementos químicos, como el cesio, como generador de impulsos para definir la hora. Estos electrones pueden elevarse a un nivel de energía superior con microondas de una frecuencia conocida. En el proceso, absorben la radiación de microondas. Un reloj atómico dirige microondas a los átomos de cesio y regula la frecuencia de la radiación de forma que la absorción de las microondas sea máxima; los expertos llaman a esto resonancia. El oscilador de cuarzo que genera las microondas puede mantenerse tan estable con la ayuda de la resonancia que los relojes de cesio tendrán una precisión de un segundo dentro de 300 millones de años.
Para la precisión de un reloj atómico es crucial la amplitud de la resonancia utilizada. Los actuales relojes atómicos de cesio ya utilizan una resonancia muy estrecha; los relojes atómicos de estroncio alcanzan una precisión superior con sólo un segundo en 15.000 millones de años. Con este método de excitación de electrones es prácticamente imposible lograr más mejoras. Por ello, equipos de todo el mundo llevan varios años trabajando en el concepto de reloj "nuclear", que utiliza transiciones en el núcleo atómico como generador de impulsos en lugar de en la corteza atómica. Las resonancias nucleares son mucho más agudas que las resonancias de los electrones en la corteza atómica, pero también mucho más difíciles de excitar.
En el XFEL europeo, el equipo ha podido excitar una prometedora transición en el núcleo del elemento escandio, que puede obtenerse fácilmente como lámina metálica de gran pureza o como dióxido de escandio compuesto. Esta resonancia requiere rayos X con una energía de 12,4 kiloelectronvoltios (keV, que es unas 10.000 veces la energía de la luz visible) y tiene una anchura de sólo 1,4 femtoelectronvoltios (feV). Esto equivale a 1,4 cuatrillonésimas de electronvoltio, es decir, sólo una décima de trillonésima parte de la energía de excitación (10-19). Esto hace posible una precisión de 1:10.000.000.000.000. "Esto equivale a un segundo en 300.000 millones de años", explica Ralf Röhlsberger, investigador del DESY que trabaja en el Instituto Helmholtz de Jena, una instalación conjunta del Centro Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados del GSI, el Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y el DESY.
Los relojes atómicos tienen numerosas aplicaciones que se benefician de una mayor precisión, como el posicionamiento preciso mediante navegación por satélite. "El potencial científico de la resonancia del escandio se identificó hace más de 30 años", informa el director del proyecto del experimento, Yuri Shvyd'ko, del Laboratorio Nacional de Argonne (Estados Unidos). "Hasta ahora, sin embargo, no se disponía de ninguna fuente de rayos X que brillara con suficiente intensidad dentro de la estrecha línea de 1,4 feV del escandio", explica Anders Madsen, científico jefe de la estación experimental MID del XFEL europeo, donde tuvo lugar el experimento. "Eso sólo cambió con láseres de rayos X como el XFEL europeo". En el innovador experimento, el equipo irradió una lámina de escandio de 0,025 milímetros de grosor con luz láser de rayos X y pudo detectar un resplandor característico emitido por los núcleos atómicos excitados, que es una prueba clara de la estrechísima línea de resonancia del escandio.
También es importante para la construcción de relojes atómicos el conocimiento exacto de la energía de resonancia, es decir, la energía de la radiación láser de rayos X a la que se produce la resonancia. La sofisticada supresión del ruido extremo y la óptica de cristal de alta resolución permitieron determinar el valor de la energía de resonancia del escandio en los experimentos con una precisión de cinco dígitos del punto decimal en 12,38959 keV, lo que es 250 veces más exacto que antes. "La determinación precisa de la energía de transición supone un avance significativo", subraya el responsable del análisis de los datos, Jörg Evers, del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg. "El conocimiento exacto de esta energía es de enorme importancia para la realización de un reloj atómico basado en el escandio". Los investigadores están explorando ahora nuevos pasos hacia la realización de dicho reloj nuclear atómico.
"El avance en la excitación resonante del escandio y la medición precisa de su energía abre nuevas vías no sólo para los relojes nucleares, sino también para la espectroscopia de altísima precisión y la medición precisa de efectos físicos fundamentales", explica Shvyd'ko. Olga Kocharovskaya, de la Universidad A&M de Texas (EE.UU.), iniciadora y líder del proyecto financiado por la National Science Foundation, añade: "Por ejemplo, una precisión tan alta podría permitir sondear la dilatación gravitatoria del tiempo a distancias submilimétricas. Esto permitiría estudiar los efectos relativistas en escalas de longitud inaccesibles hasta ahora".
En el trabajo han participado investigadores del Laboratorio Nacional Argonne (EE.UU.), el Instituto Helmholtz de Jena, la Universidad Friedrich Schiller de Jena, la Universidad A&M de Texas (EE.UU.), el Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, la fuente polaca de radiación de sincrotrón SOLARIS de Cracovia, el XFEL europeo y DESY.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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