Reevaluando el Tiempo y el Espacio – Cómo el Torio Está Destinado a Jugar un Papel

El concepto de tiempo y espacio siempre ha divertido a los científicos. Todo lo que vemos a nuestro alrededor funciona dentro de un marco temporal y espacial. Albert Einstein dijo famosamente, “Un ser humano es una parte del todo, llamado por nosotros “Universo”, una parte limitada en tiempo y espacio.” 

Sin embargo, nuestras evaluaciones del tiempo y el espacio han seguido evolucionando con los avances logrados en la ciencia y nuestra comprensión filosófica de los mismos. 

Una de las últimas incorporaciones a este flujo evolutivo, algo que podría cambiar el juego o ser revolucionario, proviene de los aportes de una investigación equipo liderado por el Prof. Thorsten Schumm de la TU Wien (Viena). Se anticipa que esta investigación podría allanar el camino para tecnologías de alta precisión revolucionarias, incluidos los relojes nucleares. 

Núcleo Atómico Excitado con Láser: El Caso Curioso de la Transición del Torio

La comunidad científica lleva tiempo intentando lograr un estado muy específico de los núcleos atómicos de torio que ayudaría a construir relojes nucleares que sean más previsorios en su medición del tiempo que los mejores relojes atómicos disponibles hoy. 

En un nivel más amplio, tales mediciones de tiempo tan minuciosas ayudarían a reevaluar las proposiciones centrales de la física teórica, incluida la cuestión sobre las constantes de la naturaleza: ¿Son estas constantes sagradas, o cambian en el espacio y el tiempo? 

Medir el tiempo con tanta precisión habría requerido conocer la energía exacta para excitar el torio hasta el punto de su transición atómica. Gracias a la investigación que estamos discutiendo, esa energía ahora se conoce con exactitud. Por lo tanto, por primera vez, es posible transferir un núcleo atómico a un estado de energía superior mediante un láser y luego rastrear su regreso a su estado original. 

Este fenómeno también es un logro pionero ya que es la primera vez que dos áreas distintas de la física — la física cuántica y la física nuclear — pueden combinarse en una sola. La investigación requirió desarrollar cristales especiales que contengan torio. 

Desde la década de 1970, los científicos han sido conscientes de la posibilidad de un núcleo atómico especial que podría ser manipulado con un láser. Sin embargo, lograr el éxito requiere conocer la energía de la transición con extrema precisión. Según el Prof. Thorsten Schumm:

“Conocer la energía de esta transición dentro de un electrón-voltio es de poco uso si se debe alcanzar la energía correcta con una precisión de una millonésima de electrón-voltio para detectar la transición.” 

Para tener éxito en esta misión, que parecía casi imposible en ese momento, el equipo desarrolló cristales que incorporan una gran cantidad de átomos de torio. 

Fabian Schaden, el investigador responsable de diseñar estos cristales en Viena, dijo lo siguiente para explicar las complejidades involucradas:

 “Aunque esto es técnicamente bastante complejo, tiene la ventaja de que no solo podemos estudiar núcleos de torio individuales de esta manera, sino que podemos impactar aproximadamente diez a la potencia diecisiete núcleos de torio simultáneamente con el láser, alrededor de un millón de veces más que la cantidad de estrellas en nuestra galaxia.” 

La presencia de una gran cantidad de núcleos de torio amplificó el efecto, reduciendo el tiempo de medición requerido y aumentando la probabilidad de encontrar realmente la transición de energía. 

¿Qué tan importante fue este avance? Según Thorsten Schumm:

“Para nosotros, esto es un sueño hecho realidad.” Continuó diciendo: “Nos alegra que ahora seamos nosotros quienes podamos presentar el avance crucial: La primera excitación láser dirigida de un núcleo atómico.” 

Haga clic aquí para la lista de las cinco mejores acciones nucleares para invertir.

El Impacto del Éxito en los Conceptos de Tiempo y Espacio

El éxito alcanzado en esta investigación conduciría a instrumentos de precisión más sofisticados. Los relojes utilizarán la oscilación de la luz que activa la transición del torio para convertirse en nuevas variantes que podrían ser más precisas que los mejores relojes atómicos disponibles hoy. 

El fenómeno también podría ayudar a analizar los campos gravitacionales de la Tierra con mayor precisión, lo que podría ayudar a localizar recursos minerales e indicar la inminencia de terremotos con mayor precisión. 

Los investigadores aún no están seguros de todo el espectro de posibilidades de aplicación, pero están seguros de que el potencial podría ser ilimitado. En palabras de Thorsten Schumm:

“Nuestro método de medición es solo el comienzo. Aún no podemos predecir qué resultados lograremos con él. Sin duda será muy emocionante.”

Esta investigación podría beneficiar enormemente a las empresas que desarrollan relojes de precisión sofisticados. A continuación, un par de esas compañías. 

#1. Microsemi

Microsemi es conocida a nivel mundial por sus capacidades en relojes atómicos. Estos son relojes cuyo oscilador eléctrico está regulado por las frecuencias de vibración naturales de un sistema atómico, que pueden ser haces de átomos de cesio, átomos de amoníaco o rubidio. 

Los relojes atómicos de Microsemi son conocidos por ofrecer más del 90 % de la entrada al Tiempo Universal Coordinado (UTC). También es el único proveedor comercial del mundo de relojes de tubo de haz de cesio, que se pueden encontrar en laboratorios nacionales de todo el mundo.

La empresa se posiciona como el principal proveedor de relojes atómicos de celda de gas, incluidos el Chip Scale Atomic Clock (CSAC), el reloj atómico más pequeño y de menor consumo del mundo, y el Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi afirma que sus relojes atómicos de cesio son especialmente útiles en comunicaciones. Estos relojes pueden respaldar de manera muy eficiente la tecnología GNSS/GPS para aplicaciones de frecuencia, tiempo y fase. 

El cesio funciona con un desfase respecto al UTC con una precisión de 1 × 10⁻¹². Esto hace que un reloj de cesio sea capaz de respaldar GNSS/GPS sin degradación en el rendimiento para aplicaciones de frecuencia. Permite el modo de retención de operación para aplicaciones de tiempo y fase. 

Sin embargo, con el éxito de la investigación de la ‘transición del torio’, Microsemi ahora cuenta con los recursos para desarrollar un reloj más preciso y afinado. 

En conjunto, Microsemi Corporation es una subsidiaria totalmente controlada de Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). En el año fiscal 2023, Microchip registró ventas netas de más de US$8.4 mil millones. En el FY 2023, la compañía devolvió $1.64 mil millones a sus accionistas comparado con $0.9 mil millones que devolvió en el año fiscal 2022.

#2. General Atomics

En octubre de 2021, General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) declaró que había completado la misión Deep Space Atomic de la Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Deep Space Atomic mission. Según el presidente de GA-EMS, Scott Forney:

“El éxito de la misión DSAC a bordo del OTB allana el camino para futuros esfuerzos que avancen tecnologías críticas basadas en el espacio y las pongan en órbita con diseños de satélites fiables y robustos.”

El DSAC era un reloj atómico de iones de mercurio miniaturizado y extraordinariamente preciso. Según la evaluación de General Atomics, demostró una estabilidad de tiempo significativamente mejorada respecto a otros relojes atómicos en funcionamiento en satélites GPS. Podía medir el tiempo de manera constante durante largos periodos y apoyar la navegación y exploración del espacio profundo. 

Es comprensible que General Atomics sea una empresa que se beneficiaría significativamente de la investigación de la ‘Transición del Torio’. 

En su esencia, General Atomics es una empresa de defensa y tecnologías diversificadas. En 2023, la compañía obtuvo unos ingresos de US$3.1 mil millones. 

Mientras que el reloj nuclear se trata de avanzar hacia mayor precisión, los científicos han seguido desarrollando soluciones que han dado origen a una nueva generación de relojes atómicos. En un experimento en el láser de rayos X European XFEL, los investigadores aprovecharon el elemento escandio. 

Un Reloj Atómico Altamente Preciso: Aprovechando el Escandio para Estándares de Exactitud Extremadamente Altos

Los investigadores aprovecharon el escandio para alcanzar una precisión de un segundo en 300 mil millones de años, lo que es mil veces más preciso que los estándares actuales de relojes atómicos basados en cesio.

Al igual que la transición del torio que discutimos al principio, los investigadores del European XFEL pudieron excitar una transición prometedora en el núcleo del escandio. El escandio está disponible fácilmente como una lámina metálica de alta pureza o como el compuesto dióxido de escandio. La energía requerida para excitarlo con precisión para dicho propósito necesitó rayos X con una energía de 12,4 kiloelectronvoltios (keV), aproximadamente 10 000 veces la energía de la luz visible. 

Tiene un ancho de solo 1,4 femtoelectronvoltios (eV) y 1,4 cuatrillones de un electrón-voltio, lo que equivale a aproximadamente una décima parte de un billonésimo de la energía de excitación (10⁻¹⁹). Ayudó a alcanzar una precisión de 1 : 10 000 000 000 000, equivalente a un segundo en 300 mil millones de años.

Al explicar los posibles beneficios de esta investigación y su éxito, los investigadores pudieron señalar muchas cosas. Por ejemplo, los relojes atómicos con mayor precisión podrían ayudar a posicionar los satélites con mayor exactitud. Los investigadores también destacaron el potencial del reloj atómico como una puerta de entrada para los relojes nucleares del futuro.

Según el líder del proyecto del experimento, Yuri Shvyd’ko del Argonne National Laboratory en los Estados Unidos:

“El avance en la excitación resonante del escandio y la medición precisa de su energía abre nuevas vías no solo para los relojes nucleares, sino también para la espectroscopía de ultra alta precisión y la medición precisa de efectos físicos fundamentales.”

Elaborando sobre el potencial que tenía esta investigación, Olga Kocharovskaya de la Texas A&M University en EE. UU., iniciadora y líder del proyecto, dijo lo siguiente:

“Por ejemplo, una precisión tan alta podría permitir que la dilatación gravitacional del tiempo se investigue a distancias submilimétricas. Esto permitiría estudios de efectos relativistas en escalas de longitud que hasta ahora eran inaccesibles.”

En resumen, esta innovación, al igual que la que leímos sobre la transición del torio, tuvo varios beneficios. En un nivel, estos beneficios significaron aplicar directamente el fenómeno para idear nuevas soluciones. En otro nivel, los beneficios fueron en forma de nuevos horizontes abiertos. En el área de la física teórica, estos nuevos caminos resultarían en soluciones más eficientes.

El Reloj de Precisión que Aprovechó el Estroncio

Ya hemos examinado cómo el torio y el escandio se han utilizado para reevaluar el tiempo y el espacio al nivel más minucioso posible. En 2022, los investigadores exploraron el potencial del estroncio en este sentido. 

La investigación incluyó a un grupo de científicos estadounidenses. Afirmaron haber construido un dispositivo que era 50 veces más preciso que sus pares de relojes atómicos.

Según Jun Ye, afiliado al National Institute of Standards and Technology (NIST) y a la Universidad de Colorado Boulder, además de sus características de precisión, el reloj podría introducir descubrimientos en mecánica cuántica y paradigmas que guían la dinámica del mundo subatómico.

La solución exploró con éxito las redes de luz, conocidas como redes ópticas. Estas redes podían atrapar átomos de manera ordenada y evitar que los átomos cayeran por gravedad o se movieran, lo que provocaría una pérdida de precisión. El reloj de precisión estaba compuesto por 100 000 átomos de estroncio. Cada uno se superpone al otro en forma de panqueque para formar una altura de aproximadamente 1 milímetro.

Al explicar las fascinantes características del reloj, Ye dijo:

“El espacio y el tiempo están conectados. Y con una medición del tiempo tan precisa, puedes ver cómo el espacio está cambiando en tiempo real—la Tierra es un cuerpo vivo y dinámico.”

Al igual que otros relojes que hemos discutido hasta ahora, Ye estaba entusiasmado con el potencial de este reloj para inaugurar una era completamente nueva de la física. El reloj podría detectar diferencias de tiempo a través de 200 micrómetros. Reducido a 20 micrómetros, podría examinar de manera más eficiente la dinámica interna del mundo cuántico.

Reevaluando el Tiempo y el Espacio con Torio y Más: Palabras Conclusivas

Además de abrir nuevas dimensiones sobre la naturaleza temporal y espacial de nuestro universo, estos relojes de súper precisión sirven para muchos, muchos propósitos, incluido mejorar nuestros sistemas de telecomunicaciones y navegación.

Según Andrew Ludlow, físico del National Institute of Standards and Technology en Boulder, Colorado:

“Hay muchas aplicaciones [para los relojes] que solo necesitan una estabilidad realmente buena, y luego hay un rango de aplicaciones donde la estabilidad no es suficiente, y también se necesita precisión.”

Estos dispositivos super sensibles pueden medir cada pequeña ondulación a través del espacio-tiempo. Pueden detectar ondas gravitacionales en frecuencias que son casi inaccesibles para nuestras soluciones convencionales. Un dispositivo de medición espacio-temporal de alto rendimiento puede percibir los más pequeños cambios gravitacionales que ocurren en profundidad bajo la tierra para indicar condiciones de señal que son precursoras de un terremoto o erupción volcánica.

En resumen, las posibilidades son ilimitadas, y los científicos pueden descubrir más elementos como torio, escandio y estroncio en los próximos días que revolucionarán la forma en que vemos el espacio y el tiempo.

Haga clic aquí para saber si el impulso de deformación es ficción o el futuro.