Lutecio, el elemento químico que entra en la carrera para construir el reloj más preciso del mundo

La parte más importante de uno de los relojes más precisos del mundo es una pieza de lutecio, fina como el papel y del tamaño de una grapa. Esta descansa dentro de una caja insonorizada, a prueba de vibraciones, del tamaño de un mini refrigerador, que se encuentra sobre una mesa amortiguadora de movimiento de 22 mil dólares.

Murray Barrett, profesor asociado de física en la Universidad Nacional de Singapur, busca la caja para mostrármelo. “Debería estar bien”, dice con su cálido acento neozelandés. Pero duda. Estamos en un laboratorio oscuro lleno de láseres que se agrupan, parten e intensifican a través de una serie de cristales y componentes electrónicos. “Normalmente, está bien”, señala, alejándose de su reloj que todavía está en progreso. “Pero no estoy seguro de si estamos logrando algo o no”.

El reloj de Barrett, ubicado en el Centro de Tecnologías Cuánticas de la universidad, tiene la intención de dividir el tiempo en más y más pequeños segmentos que cualquier otro reloj.

Un cronómetro analógico puede normalmente dividir un segundo en 10 partes: 0.1 segundos, 0.2 segundos, etcétera. El reloj de lutecio, en teoría, agregará 14 ceros a la derecha de ese punto decimal, segmentando el segundo en (aproximadamente) un billón de piezas, y se mantendría la precisión en un segundo si se deja funcionando continuamente durante 30 mil millones de años.

Incluso las vibraciones más pequeñas de, por ejemplo, los extractos que mantienen limpio el entorno del laboratorio, son suficientes para alterar esa precisión y, con ello, todo el trabajo del laboratorio.

Hasta ahora, las aplicaciones potenciales para un reloj con 15 decimales de precisión son teóricas y aspiracionales. Pero eso no impide que los laboratorios de todo el mundo compitan, utilizando distintos elementos, para alcanzar el mismo objetivo. El lutecio es, de alguna manera, el elemento menos probable para participar y ser el ganador.

Esto es porque no solo es relativamente raro en la naturaleza, sino también debido a su alto costo y similitud con otros elementos, además de que sus aplicaciones conocidas son raras. Por lo tanto, los investigadores y la industria tienden a pasarlo por alto.

Si Barrett y su laboratorio tienen éxito, el mercado global para el lutecio no se expandirá significativamente. Después de todo, el reloj casi no utiliza este elemento. Sin embargo, el lutecio se convertirá rápidamente en el corazón de la ciencia y la economía global.

Todos los relojes miden el tiempo siguiendo un evento recurrente. Eso puede significar rastrear la rotación de la Tierra mediante la sombra de un reloj de sol, o puede significar contar los movimientos de un péndulo. No obstante, ninguno de estos métodos de cronometraje puede producir una medición que sea constante en todo momento y lugar.

La temperatura y la humedad alteran las piezas del reloj mecánico, alargando o cortando los segundos. El cronometraje basado en la observación astronómica se ve obstaculizado por la irregularidad de la órbita de la Tierra alrededor del sol.

La mayor parte de la historia humana hasta ahora no ha requerido mucha precisión, por lo que las limitaciones de los relojes nunca fueron un problema.

Luego, en el siglo XIX, la física atómica abrió la posibilidad de una definición universal e inmutable del tiempo. La idea era engañosamente simple. Cada átomo de un elemento de la tabla periódica vibra de manera única cuando es bombardeado por una frecuencia exacta de radiación. Entonces, si puede contarse el número de ciclos de radiación necesarios para estimular un átomo durante la mejor definición no atómica existente de un segundo, el mundo tendría una nueva definición del segundo conectado a un átomo inmutable En efecto, se tendría un reloj atómico.

Durante un periodo de casi dos décadas, los científicos determinaron que el cesio, cuyas vibraciones son relativamente fáciles de observar y que existen en una sola forma estable, y por lo tanto no necesitaría ser purificado, era el mejor elemento para usar.

En 1967, la Conferencia General de Pesos y Medidas, una organización intergubernamental, reemplazó la antigua definición celestial de un segundo con la cantidad de tiempo que se necesita para medir 9,192,631,770 oscilaciones del microondas necesarias para estimular la vibración del cesio-133.

Incluso antes de que se definiera el segundo atómico, había científicos, militares y comerciantes profundamente interesados en aprovechar el tiempo más preciso. El Ejército de Estados Unidos fue uno de los primeros clientes de los relojes atómicos, y en 1973 las fuerzas armadas introdujeron el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), una red de navegación súper precisa que utiliza satélites equipados con relojes atómicos para medir cuánto tarda una señal en llegar y rebotar de regreso en un receptor en la Tierra.

Los misiles y otras tecnologías militares fueron los beneficiarios inmediatos del GPS. El sector privado también se benefició con Google Maps y con las modernas redes de telecomunicaciones que se sincronizan mediante el GPS.

De acuerdo con un estudio de junio de 2019 patrocinado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NITS, por sus siglas en inglés) en Colorado, el GPS fue responsable de mil 350 millones de dólares en beneficios económicos para EU de 1984 a 2017. China, Europa y Japón tienen sus propios sistemas de navegación por satélite que confían en relojes atómicos; una interrupción colectiva, por poco probable que sea, paralizaría la economía global.

Durante casi dos décadas, científicos alrededor del mundo han trabajado para mejorar relojes atómicos que estimulen los átomos usando luz visible, que oscila aproximadamente en ser 100 mil veces más rápido que los microondas en un reloj de cesio. La creación de estos relojes ópticos no es solo una cuestión de cambiar los microondas por láser y el cesio por otro elemento. En cambio, los científicos deben superar una serie de desafíos científicos y técnicos, incluida la cuestión fundamental de qué elemento es el más adecuado para el trabajo de decir la hora.

Sobre esto no faltan los candidatos, incluidos el aluminio, el mercurio y el estroncio. Por ahora, el favorito parece ser el iterbio, que está siendo investigado por grandes equipos bien financiados en el NIST y laboratorios en Europa y Asia.

A finales de 2018, el NIST anunció que un par de relojes a base de iterbio habían establecido récords de precisión, estabilidad y reproducibilidad de resultados. El lutecio tuvo una entrada tardía a esta competencia intensa y costosa. Sin embargo, en un tiempo relativamente corto, ha demostrado ser un caballo oscuro digno e intrigante, gracias a Murray Barrett.

Barrett no aspiraba a ser un relojero. Después de completar su doctorado en Georgia Tech en 2002, donde estudió física atómica, realizó una beca posdoctoral de dos años en el NIST, en el programa de computación cuántica e información. Regresó brevemente a Nueva Zelanda antes de asumir su posición actual en Singapur.

Inicialmente, su investigación se centró en lo que él llama “material de información cuántica”, un campo que une la informática con el pequeño mundo de la física cuántica. Según Barrett, un día estuvo en su oficia y “simplemente vio el lutecio y se interesó en la medición de su precisión”. Hace una pausa ante el escepticismo en mi rostro y luego agrega: “Realmente fue tan arbitrario como eso”.

Incluso, los cambios de temperatura tan pequeños que no se registraron en las generaciones anteriores de relojes atómicos pueden ser un error para los relojes óptimos supersensibles. Resulta que el lutecio es excepcionalmente insensible a los cambios de temperatura. “Y yo diría”, dice Barrett, “cualquier átomo que tenga la menor sensibilidad a su entorno hará que el reloj sea mejor”.

De pie en su laboratorio, rodeado de láseres caseros y dispositivos electrónicos, algunos de los cuales dibujan líneas rojas fantasmales en la oscuridad, Barrett invoca dos reglas de longitud similar como una forma para explicar por qué es necesario un reloj más preciso. Las reglas, indica, pueden considerarse como relojes. La regla de cesio mide en centímetros; pero un reloj óptimo basado en lutecio “mediría en milímetros” y, por lo tanto, permitiría medir el mundo con mayor precisión. Incluso podría permitir la medición de cosas que nunca antes se pudieron medir, revelando y resolviendo cuestiones fundamentales de la física.

Por ejemplo, la teoría general de relatividad de Albert Einstein postulaba que cuanto más rápido viajas, más gravedad te atrae y más tiempo se ralentiza. Para verificar eso, científicos han volado relojes atómicos en el espacio y descubrieron que corrían más despacio, en relación con los relojes en la Tierra. Del mismo modo, un reloj atómico en la cima de una montaña avanza más rápido que uno en la base de una montaña, donde la gravedad es mayor. Si los relojes ópticos pudieran reducirse a un tamaño portátil, algo que Barrett y otros están investigando, esos cambios medibles en el tiempo podrían usarse para mapear la topografía de la Tierra con detalles sin precedentes. En teoría, también podrían revelar depósitos minerales debajo de esa topografía.

La carga madre científica de los relojes ópticos serían mediciones tan precisas que podrían revelar la materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye aproximadamente el 27 por ciento de la masa del universo. Su existencia solo se ha inferido, porque la materia ordinaria no puede explicar por sí sola la evolución y la estructura de objetos masivos como las galaxias. Los relojes a base de iterbio del NIST están alcanzando niveles de precisión que eventualmente pueden ser suficientes para detectar firmas de materia oscura.

En Boulder, Andrew Ludlow, el líder del proyecto en los relojes NIST, aún no celebra. “En este momento, sería difícil imaginar un reloj óptico desarrollado a un precio que pudiera implementarse en todas partes”, dijo. Para complicar aún más las cosas, la complejidad de los relojes ópticos significa que están sujetos a un tiempo de inactividad significativo. Para que sirvan como referencia para un nuevo segundo, y mucho menos para detectar firmas de materia oscura, deberán poder ejecutarse ininterrumpidamente, 24/7.

“Debido a la complejidad de estos relojes, y a su costo, muchas de las aplicaciones son situaciones en las que no se necesitan mucho, pero se necesita que sean realmente buenas en condiciones especiales”, detalla Ludlow. “Varias aplicaciones militares entran en esa categoría”.

Los patrocinadores de Ludlow incluyen a la NASA y a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, mejor conocida como Darpa.

Pero un mercado de relojes ópticos se está filtrando. “He sido contactado por un par de personas en la industria financiera con una curiosidad genérica sobre los relojes ópticos”, señala Ludlow.

Un reloj óptico podría permitir un intercambio para sellar el tiempo y ordenar muchas más transacciones en tiempos cada vez más cortos, una calidad que sería de particular interés para operadores de alta frecuencia y aquellos a quienes les gusta contrastar.

En 2016, el fondo de cobertura Renaissance Technologies presentó una patente sobre un sistema de intercambio que se basa en “relojes atómicos, relojes ópticos, relojes cuánticos, relojes del Sistema de Posición Global (GPS), o cualquier reloj capaz de medir el tiempo, con precisión en microsegundos”.

Barrett sonríe incómodo cuando le pregunto sobre el interés de la industria financiera en los relojes ópticos. Está sentado en su escritorio en una oficina espaciosa frente a su laboratorio, con una pizarra cubierta de flechas y ecuaciones a su lado. No se metió en la física para encontrar formas de sellar más intercambios. En cambio, la búsqueda de la precisión “se adapta a mi personalidad”, afirma, y se dedica a mejorarla a través de los ajustes interminables necesarios para mejorar cualquier reloj. “La parte difícil es saber cuándo parar y publicar”, agrega.

Barrett reconoce que por ahora su laboratorio y el lutecio no son los líderes en la carrera para construir el segundo reloj óptico mejor definido. Por un lado, no está tan bien financiado como otros grupos.

Pero lo que le falta en recursos lo compensan las propiedades de “mi átomo”, dice. “Mi argumento es que si puedes hacer un reloj preciso en iterbio, entonces debes ser capaz de hacer un reloj preciso de lutecio, y debería ser más preciso porque las propiedades son simplemente mejores”.

La Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur, una oficina gubernamental que patrocina R&D que podría beneficiar a la ciudad-estado de manera competitiva, está ayudando a financiarlo. “¿Por qué lo financian?”, pregunta Barrett. “Si nos fijamos en la historia de los relojes, mientras los hacemos mejores y mejores, aparecen nuevas aplicaciones o las que tenemos mejoran cada vez más”.

Para cualquiera que esté fuera de los laboratorios, la primera evidencia de progreso será una nueva definición de un segundo. Lo más próximo que puede suceder, oficialmente, es la próxima reunión de la Conferencia General sobre Pesos y Medidas, programada para 2022.

Pero la mayoría de los observadores consideran que no habrá un consenso global sobre qué elemento o diseño de reloj debería servir como base para un nuevo segundo hasta al menos la reunión de 2026.

Por ahora, Barrett, al igual que otros relojeros, sigue centrado en el tictac. “Eso es lo que realmente haces en el negocio de los relojes”, afirma. “Preguntas: ¿cómo hacemos mediciones cada vez mejor?”.