Decir que un reloj tarda 260.000 millones de años en equivocarse un segundo tiene un pequeño problema: nadie puede esperar tanto para comprobarlo. El universo entero tiene unos 13.800 millones de años.
Un equipo de la Universidad Nacional de Singapur encontró una solución bastante más práctica. Construyó dos relojes independientes basados en un único ion de lutecio-176, los puso a funcionar uno frente al otro durante cientos de horas y comprobó hasta qué punto conseguían decir exactamente lo mismo.
El resultado, publicado en Nature, establece una incertidumbre sistemática cercana a una parte en 10¹⁹, aproximadamente cuatro veces menor que el mejor valor comunicado anteriormente para un reloj atómico. Traducido a una escala más intuitiva, equivale a un error de alrededor de un segundo cada 260.000 millones de años. Eso no significa que el dispositivo haya demostrado experimentalmente que funcionaría durante semejante periodo. Es una forma de expresar su incertidumbre fraccional medida y calculada.
El secreto está en hacer que un átomo marque el ritmo
Los relojes atómicos no funcionan con engranajes. Utilizan una transición extremadamente estable entre dos estados energéticos de un átomo como referencia.
En el nuevo sistema, un único ion de lutecio-176 queda atrapado mediante campos electromagnéticos y es interrogado con un láser. Los investigadores ajustan la luz hasta coincidir con una transición atómica concreta situada en torno a los 848 nanómetros. Esa frecuencia funciona como un péndulo extraordinariamente rápido y estable.
Los relojes ópticos pueden superar a los relojes atómicos de microondas porque trabajan con frecuencias muchísimo mayores: hay muchas más oscilaciones que contar durante el mismo segundo. Pero ahí aparece el verdadero problema. A este nivel de precisión, casi cualquier cosa puede alterar ligeramente al átomo: campos magnéticos, radiación térmica, movimientos dentro de la trampa o incluso la gravedad.
El lutecio tiene una ventaja peculiar. La transición empleada presenta una sensibilidad excepcionalmente baja a la radiación de cuerpo negro y a los campos magnéticos, mientras que su elevada masa reduce algunos desplazamientos relacionados con el movimiento. Y el equipo logró el récord con sistemas funcionando a temperatura ambiente, sin necesitar siquiera blindaje magnético.
Para demostrarlo tuvieron que construir dos
Hay una paradoja sencilla detrás de cualquier proclamación sobre «el reloj más preciso del mundo»: ¿contra qué reloj lo comparas? El equipo construyó dos sistemas independientes, Lu-1 y Lu-2, y utilizó una técnica llamada espectroscopia de correlación para comparar directamente sus frecuencias.
Después de unas 200 horas acumuladas de medición, ambos coincidieron con una diferencia compatible con cero hasta el decimonoveno decimal. Cada reloj alcanzó una incertidumbre sistemática de aproximadamente 1,2 y 1,3 × 10⁻¹⁹ respectivamente. La comparación directa verificó su acuerdo hasta 5,7 × 10⁻¹⁹.
Ese último número es importante: la precisión con la que pudieron comparar los dos dispositivos todavía es peor que la incertidumbre teórica de cada reloj por separado. Aun así, es suficiente para convertir la prueba en una de las verificaciones más exigentes realizadas hasta ahora entre dos referencias ópticas de la misma especie.
El objetivo final no es saber la hora muchísimo mejor
Medir el tiempo con semejante precisión permite medir otras cosas. Según los autores, relojes de lutecio como estos podrían utilizarse para comparar diferencias gravitatorias equivalentes a cambios de altura de milímetros. La relatividad general establece que un reloj situado ligeramente más cerca de una masa transcurre más despacio, de modo que medir tiempo termina convirtiéndose también en una forma extremadamente sensible de medir gravedad.
También pueden servir para buscar variaciones de constantes fundamentales, poner a prueba la relatividad o buscar determinados candidatos a materia oscura mediante alteraciones minúsculas y correlacionadas entre relojes. Y existe una consecuencia todavía más cotidiana, aunque enorme para la metrología: el segundo podría dejar de definirse como lo hacemos actualmente. La definición internacional sigue basada en una transición de microondas del cesio-133, pero existe una hoja de ruta para reemplazarla en el futuro por relojes ópticos considerablemente más precisos.
Después de más de una década trabajando con lutecio, el equipo de Singapur acaba de demostrar que ese átomo es uno de los candidatos más serios. Hemos llegado a un punto en el que fabricar un reloj mejor ya no consiste simplemente en medir el tiempo: consiste en conseguir que dos átomos sean capaces de ponerse de acuerdo hasta la decimonovena cifra decimal.
