Los relojes atómicos sostienen el GPS actual y la definición del segundo. Un "reloj nuclear" capaz de superar incluso esa precisión podría hacerse realidad en apenas unos años. Un equipo internacional de investigación liderado por Japón ha resuelto el enigma del "mecanismo de reinicio" necesario para poner en marcha ese reloj soñado, acercándonos un paso más a un cronómetro ultrapreciso que no se desviaría ni un segundo en 13.800 millones de años.

¿Qué es un reloj nuclear y por qué es importante?

El GPS y los sistemas de comunicación que sostienen nuestra vida diaria utilizan "relojes atómicos" basados en átomos de cesio. Pero los científicos persiguen ahora un reloj aún más preciso: el "reloj nuclear".

Mientras que un reloj atómico convencional aprovecha las vibraciones de los "electrones" del átomo, el reloj nuclear utiliza las vibraciones del propio "núcleo" atómico. El núcleo es mucho más pequeño que los electrones y menos susceptible a las perturbaciones del entorno, por lo que en teoría podría alcanzar una precisión al menos un orden de magnitud superior a la de los relojes atómicos actuales.

El material más adecuado para este reloj nuclear es el núcleo de torio-229. Entre los aproximadamente 3.000 tipos de núcleos conocidos hasta hoy, el torio-229 tiene la energía de excitación más baja: apenas 8,4 electronvoltios. Eso lo sitúa al alcance de los láseres ultravioleta de vacío y lo convierte en el único núcleo que puede controlarse directamente con luz.

El hallazgo: la elucidación del mecanismo de extinción (quenching)

Un grupo internacional de investigación formado por la Universidad de Okayama, el Centro de Investigación en Radiación de Sincrotrón de Alta Luminosidad (JASRI), la Universidad de Kioto, RIKEN, la Universidad de Osaka, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) y la Universidad Tecnológica de Viena (Austria) empleó los rayos X de alta intensidad de la gran instalación de radiación de sincrotrón SPring-8 para esclarecer el mecanismo físico del "fenómeno de extinción" (quenching) de núcleos de torio-229 incrustados en un cristal.

El fenómeno de extinción se produce cuando un núcleo excitado regresa a su estado fundamental más rápido de lo habitual. En términos de reloj equivale a un "reinicio": para que un reloj nuclear de estado sólido funcione con precisión, hay que inicializar de forma fiable ese estado nuclear.

A través de experimentos a temperatura ambiente (36°C) y a baja temperatura (-120°C), el equipo midió en detalle la dependencia de la temperatura del fenómeno de extinción. Como resultado, determinaron que los electrones excitados generados en el cristal por la irradiación de rayos X se difunden e interactúan con los núcleos de torio, transfiriéndoles energía y provocando así la extinción.

Ventajas y aplicaciones del reloj nuclear de estado sólido

Existen dos tipos de reloj nuclear: el de "trampa de iones" y el de "estado sólido". El de trampa de iones suspende iones en el vacío para controlarlos y ofrece una gran precisión, pero requiere un equipo voluminoso. El de estado sólido, en cambio, incrusta átomos de torio dentro de un cristal, lo que permite miniaturizarlo y hacerlo portátil.

Esta investigación supone un paso importante hacia el reloj nuclear de estado sólido. Si se logra comprender y controlar el mecanismo de extinción, será posible reiniciar el reloj de forma fiable y garantizar un funcionamiento estable.

Si se materializa, el reloj nuclear de estado sólido abre varias aplicaciones. La primera es la precisión del posicionamiento por satélite (GPS). El sistema actual tiene un margen de error de varios metros; con un reloj más preciso a bordo, el posicionamiento centimétrico entra en el terreno de lo posible.

También sirve en ciencias de la Tierra. Un reloj de alta precisión detecta variaciones minúsculas del potencial gravitatorio, algo útil para observar movimientos de la corteza terrestre y explorar recursos subterráneos.

Y está la física fundamental. En la búsqueda de materia oscura y en la comprobación de si constantes como la de estructura fina varían con el tiempo, se espera que el reloj nuclear tenga una sensibilidad varios órdenes de magnitud mayor que la de los relojes atómicos actuales.

La competencia mundial por el reloj nuclear

El desarrollo del reloj nuclear es objeto de una intensa competencia internacional. En septiembre de 2024, un equipo conjunto de la Universidad Tecnológica de Viena (Austria) y del JILA/NIST estadounidense presentó el primer prototipo de reloj nuclear del mundo, lo que atrajo una gran atención. Ese mismo año, varios grupos consiguieron la espectroscopía láser de la frecuencia de transición del núcleo de torio-229, un avance valorado como uno de los mayores logros de la física de ese año.

El grupo japonés, aprovechando SPring-8, una de las instalaciones de radiación de sincrotrón más avanzadas del mundo, ha obtenido resultados con un enfoque propio: el control del torio-229 en estado sólido. En julio de 2024 descubrió que la irradiación de rayos X podía reducir la vida del estado isomérico a aproximadamente una décima parte. La investigación actual esclarece el mecanismo físico de ese fenómeno.

La voz de los investigadores

Ming Guan, estudiante de posgrado de la Universidad de Okayama (en el momento de la investigación), comentó: "En estos días de investigación, en los que 13.800 millones de años se sienten como un instante, pudimos, trabajando juntos, rozar las profundas leyes que entretejen la materia condensada, los núcleos atómicos y los electrones."

Los resultados de la investigación se publicaron el 8 de enero de 2026 en la revista estadounidense de física Physical Review Letters.

Perspectivas futuras

Para la realización completa del reloj nuclear aún quedan varios desafíos. En particular, el próximo gran objetivo es desarrollar un láser ultravioleta de vacío de 148-149 nanómetros de longitud de onda y, con él, excitar directamente el núcleo.

Nota posterior a la publicación: en junio de 2026, un equipo de la Universidad de Tsinghua y otro del Centro de Viena de Ciencia y Tecnología Cuánticas comunicaron, en sendos preprints en arXiv, el funcionamiento de un reloj nuclear de torio-229 en el que un láser continuo de 148nm queda anclado directamente a la transición nuclear. Ninguno de los dos resultados ha pasado todavía por revisión por pares.

Además, el torio-229 es un isótopo escaso: se dice que en todo el mundo apenas existen unas decenas de gramos. El uso eficiente de este material y la mejora de las técnicas de producción son también cuestiones importantes.

A la vista del ritmo de los últimos años, la puesta en práctica del reloj nuclear se acerca de forma constante. La comprensión del mecanismo de extinción lograda por el grupo japonés es un apoyo real para un reloj nuclear de estado sólido compacto y portátil.

El reloj nuclear está en el borde extremo de la medición de precisión, y en Japón se sigue como una investigación capaz de cambiar la propia definición del "segundo". ¿Qué se discute en tu país sobre estos relojes ultraprecisos y sobre lo que harían posible?

Referencias