Los primeros relojes nucleares ya funcionan en Viena y Pekín tras 50 años de búsqueda

Un reloj nuclear, que mide el tiempo con el núcleo de un átomo en lugar de con sus electrones, por fin ha empezado a funcionar. En Viena, un láser fijado a núcleos de torio sellados dentro de un cristal mantuvo su propio ritmo durante más de un día completo sin intervención humana, 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, de modo que los campos parásitos, el calor y las vibraciones apenas le afectan. Un reloj basado en él podría algún día medir el tiempo con mayor estabilidad que los relojes atómicos que sustentan la navegación por satélite, internet y la definición del segundo.

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

«La creación de un reloj nuclear era algo con lo que los físicos soñaban desde hacía casi 50 años», declaró Schumm a Reuters. Su propio equipo trabaja para lograrlo 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, una oscilación que, en los mejores relojes ópticos modernos, es mucho más rápida de lo que podría serlo cualquier pieza mecánica.

Un reloj nuclear traslada esa función al núcleo. Los protones y los neutrones también tienen niveles de energía, pero casi todos están a una energía demasiado alta como para que cualquier láser pueda alcanzarlos. El torio-229 es la excepción: su núcleo posee un estado excitado lo bastante bajo como para ser activado mediante luz ultravioleta de vacío con una longitud de onda de unos 148 nanómetros. Aun así, alcanzarlo es difícil. Según el PTB, el láser debe ajustarse a la energía de transición con una precisión de una millonésima de electronvoltio.

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

Dos cambios técnicos hicieron esto posible. El PTB y el Max Born Institute 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 emitía pulsos. Los equipos también dejaron de contar el débil resplandor que emiten los núcleos tras 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 como para cerrar el bucle.

Viena frente a Pekín

El reloj de Viena funcionó durante más de 24 horas sin supervisión mientras se comparaba con un reloj atómico óptico convencional. Su inestabilidad fraccional fue de alrededor de 3 × 10⁻¹² tras un segundo de promediado, y esa dispersión se redujo hacia 10⁻¹⁵ a lo largo de un día. La TU Wien traduce ese resultado 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 a corto plazo. Su inestabilidad durante un segundo es unas seis veces menor que la de Viena, según las cifras publicadas 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 solo 1,4 microgramos de torio-229, porque China tiene un acceso limitado al isótopo. Dos cristales cultivados de forma independiente dieron la misma frecuencia de transición, que además coincidía con mediciones anteriores de JILA en Colorado.

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

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

Lo que estos relojes aún no hacen

Ninguno de los dos relojes supera a los relojes atómicos con los que se midieron. «Esto aún no está al nivel de los mejores relojes atómicos ópticos del mundo», afirmó Schumm. Peik fue más directo en el anuncio del PTB: la estabilidad «todavía no bate ningún récord mundial».

La mayor diferencia está en la nitidez de la resonancia. «Ahora hemos observado una anchura de línea de 30 kHz, pero la anchura de línea natural debería estar muy por debajo de 1 Hz», declaró Peik a Physics World. Una resonancia borrosa implica un tic borroso. El propio cristal es parte del problema: el torio ocupa varios emplazamientos distintos en la red de fluoruro de calcio, y los equipos aún están determinando cómo influye esto en la resonancia. Ding ha afirmado 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 a medida y de un isótopo difícil de obtener. Aún queda un largo camino de ingeniería antes de disponer de un dispositivo robusto que pueda transportar un barco, un satélite o un centro de datos.

Por qué los físicos quieren un reloj mejor

Los relojes ya determinan más aspectos de la vida cotidiana de los que la mayoría de la gente percibe. La navegación por satélite calcula la posición a partir de diferencias diminutas en la temporización de las señales. Las redes de datos se sincronizan con el tiempo atómico. Los topógrafos y geofísicos utilizan el hecho de que los relojes avanzan a ritmos distintos a diferentes alturas en el campo gravitatorio de la Tierra.

Un reloj nuclear añade dos elementos. En primer lugar, un diseño de estado sólido, sin átomos ni iones atrapados dentro de una cámara de vacío, podría acabar haciendo que la medición precisa del tiempo fuera más compacta 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 una 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 University of New South Wales, 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 todo un nuevo universo de la física».

Preguntas habituales 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 tic del reloj. El torio-229 es el único núcleo conocido con una transición de energía lo bastante baja como 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 emplean cantidades diminutas encerradas dentro de un cristal, y el láser solo impulsa el núcleo hacia un estado de energía ligeramente superior.

¿Es un reloj nuclear más preciso que un reloj atómico?

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

¿Para qué podrían utilizarse los relojes nucleares?

Los investigadores señalan la navegación por satélite, 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, 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. Aquel 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 del PTB y la TU Wien sobre la absorción por el núcleo de torio mediante láser continuo, 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 averiguar qué difumina la resonancia. El equipo de Ding busca cristales anfitriones mejores que el fluoruro de calcio y está interesado en un reloj basado en iones individuales de torio atrapados, una opción que Ding calificó de «técnicamente mucho más difícil», pero posiblemente la vía hacia la mayor 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