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José Crespo López-Urrutia Investigador asturiano del Instituto Max Planck de Heidelberg

"El reloj atómico óptico es perfecto para comprobar si la teoría funciona"

José Crespo lópez-Urrutia, detrás de una trampa criogénica para iones de alto estado de carga que se usan para los relojes óptico atómicos. C. FÖHR, MPIK

El investigador asturiano José R. Crespo López-Urrutia ha contribuido decisivamente con su equipo desde la atalaya del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg (Alemania)en el logro de un hito histórico: físicos alemanes han construido y probado con éxito un reloj atómico óptico basado en iones altamente cargados, que es menos sensible a las perturbaciones externas y tan exacto como los relojes atómicos ópticos convencionales. También servirá para explorar la llamada Nueva Física.

Los relojes atómicos ópticos están considerados los instrumentos de medición más precisos jamás construidos y son herramientas esenciales para la investigación básica y aplicada.

–¿Para qué nos sirve tanta precisión?

–La teoría tiene que “mojarse” mucho para predecir un efecto dando un montón de cifras decimales. Todos los cálculos matemáticos han de ser exactos, y las premisas de la teoría ciertas. Si algo falla, sería raro que teoría y experimento coincidieran, cuando los experimentos están bien hechos. Pero cuando la teoría se atrever a predecir diez, once, doce decimales y los experimentos lo confirman, ganamos mucha seguridad. Mejor aún es si ambos, teoría y experimento están seguros de lo que hacen, pero no coinciden… eso quiere decir que algo desconocido anda rondando, y eso suele ser el primer paso para descubrir algo nuevo. Así empezaron la física cuántica, y antes la revolución copernicana y otras muchas revoluciones en la ciencia: El experimento más perfecto reta a la mejor teoría disponible, y la naturaleza decide, muchas veces contradiciendo nuestras creencias preestablecidas. Este proceso de objetivación distingue a las ciencias exactas del resto.

–¿Qué supone para la física cuántica este reloj atómico?

–Es una herramienta perfecta para comprobar si la teoría funciona, ya que casi todos los procesos pueden traducirse a una medición de frecuencias o tiempo y estudiarse así con la máxima precisión que nos ofrece la ciencia experimental.

–¿En qué áreas trabajan los relojes atómicos?

–Lo más aplicado es el GPS, que se basa en saber el tiempo con mucha precisión incluyendo los efectos de la teoría de la relatividad… El horario y tiempo internacional, la sincronización de la internet, la navegación espacial, submarina, la geodesía. Además, la búsqueda de interacciones desconocidas…

–Gracias a los iones altamente cargados es menos sensible a las perturbaciones externas, ¿qué significa eso?

–Los electrones externos ligado a estos iones están muchísimo más fuertemente atados al núcleo que en un átomo normal. Cuando una perturbación externa, por ejemplo, si Christian entra en el laboratorio con su teléfono móvil encendido, o una tormenta solar envuelve a la tierra, a nuestro ion no le cambia el ritmo casi nada en comparación con los átomos que hoy en día se usan para los relojes atómicos marcando el tiempo internacional.

–¿En qué se diferencia de un reloj atómico convencional?

–El convencional usa microondas y las estabiliza usando átomos de cesio. Los relojes ópticos usan láseres cuyas ondas electromagnéticas tienen una frecuencia fija marcada por átomo o iones de una sola carga positiva. Estos relojes ópticos son ya cien veces más precisos que los oficiales de microondas, pero todavía no hay un tratado interaccional que los establezca como normativos. Nuestro prototipo de reloj óptico con un ion de alto estado de carga como marcapasos ya ha alcanzado una precisión comparable a estos últimos, y superior a la de los convencionales de microondas. En unos años esperamos que supere a todos por su insensibilidad a perturbaciones externas. Estas son las que ya tienen que ser eliminadas y corregidas en otros relojes, pues limitan su precisión.

–¿Cómo ha sido el proceso para alcanzar este logro?

–Ideas, espíritu de aventura, formar un buen equipo, intentar cosas que son difíciles, aunque otros hayan fracasado, paciencia, recuperarse de los contratiempos y reveses, motivar a los estudiantes y colaboradores, tener suerte a veces…

–Átomos, iones... ¿son gigantes para la ciencia?

–Bueno, los átomos y los iones son objetos perfectos para la investigación. Por lo que hasta ahora sabemos, un átomo de hidrógeno en mi casa o en una galaxia a mil millones de años luz de la tierra son perfectamente idénticos… pero podría no ser así. Las constantes de la naturaleza –no las puramente matemáticas, como pi– tales como las que definen la atracción de cargas eléctricas o la gravedad son constantes… o no del todo, según predicen multitud de teorías. Para probar o contradecir esto hay que aprender a medir un número suficiente de decimales en la longitud de onda, o frecuencia de la radiación, o la masa de un átomo o ion. Estas mediciones pueden en algún momento darnos una pista de que nuestro modelo estándar de las interacciones físicas no es completo. Por ejemplo, porque una partícula desconocida exista y afecte a los electrones del átomo de tal manera que no hagan lo que creemos que deben hacer. Para detectar una partícula así, el físico de partículas usa un acelerador como LHC en Ginebra, en el CERN. Pero también sabemos por la teoría cuántica que cualquier partícula que se pueda generar allí también aparece y desaparece de forma efímera en todos y cada uno de los átomos.

–¿Y deja huella?

–Esta brevísima presencia deja siempre una minúscula impronta en las propiedades del átomo. Un ejemplo: un colega mío pesa los núcleos de los átomos con una precisión que equivale a saber si una hormiga ha abordado un Airbus o no. Localizar un polizón en el átomo revelaría la existencia de una partícula o interacción nueva sin necesidad de construir un acelerador aún más grande que los existentes, de los que ya sabemos que no podrán alcanzar en un tiempo razonable las energías necesarias para sintetizar las partículas hipotéticas que hoy en día las teorías predicen.

–¿Qué añade el reloj a la Nueva Física?

–Si una comparación entre dos tipos distintos de relojes mostrara una fluctuación reproducible, tendríamos que postular nuevas partículas o interacciones para explicarlo. Estudios completos con iones de varios isótopos del mismo elemento y varias transiciones ópticas pueden revelar más concretamente de qué tipo de partícula o interacción se trataría. Estos métodos son complementarios a los de los aceleradores, y cien veces más económicos. Además, los relojes ópticos permitirán estabilizar detectores de ondas gravitacionales, sondas gravitacionales en satélites y otros muchos sistemas de medición en la ciencia y técnica.

–¿Qué aportó el Instituto Max Planck de Física Nuclear?

–Nosotros desarrollamos los métodos de producción, extracción, deceleración pulsada y reatrapamiento de iones de alto estado de carga, más el esencial de la correfrigeración con otros iones por métodos láser, y medimos las longitudes de onda de las transiciones ópticas en los iones de interés con una precisión suficiente para que nuestros colegas de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) no tuvieran que buscarlas años y años. Además, la mayor parte del prototipo usado en el experimento en la PTB fue construido en nuestro instituto durante varios años. Cuando estuvo terminado, el estudiante de doctorado que lo había diseñado con nuestras ideas y tecnología se mudó al laboratorio de la PTB junto con el aparato. Allí se combinó todo con los láseres ultra precisos del grupo de Piet Schmidt, que están referenciados con los relojes atómicos oficiales de esa institución. El trabajo extraordinario de su grupo ha permitido en pocos años amarrar todos los cabos del experimento y demostrar su estabilidad en comparación con las referencias oficiales. La experiencia necesaria para este tipo de medición de frecuencia y tiempo se ha acumulado durante décadas en esa institución y en sus equivalentes en los EEUU, Inglaterra, Francia y Japón, que son las únicas capaces de operar relojes ópticos.

–¿Qué cualidades tienen los iones para ser extraordinarios?

–Al quitar al átomo muchos de sus electrones, la carga positiva que lleva el núcleo no está ya compensada. El ion se presenta con una carga positiva alta, y mantiene ligados a los electrones remanentes con muchísima más energía que los átomos o iones “normales”. Con la cartera tan bien agarrada, el carterista no puede robarla. Las perturbaciones apenas afectan a los electrones en estos iones. Solo si la naturaleza variase sus leyes, o sea, si efectos desconocidos escondidos en el núcleo existieran veríamos un cambio en las frecuencias de las transiciones electrónicas de estos iones. Dado que los electrones activos están mucho más próximos al núcleo que en los átomos, esto efectos naturales son enormemente amplificados y se pueden medir mejor. O sea, lo que nos estorba se reduce totalmente y lo que nos interesa crece muchísimo.

–La detección y el enfriamiento, ¿por qué llevó tanto tiempo?

–Porque la refrigeración por láser no se puede aplicar directamente a nuestros iones. Además, las condiciones de vacío necesarias para atraparlos y mantenerlos durante horas sin pérdidas no han sido fáciles de alcanzar… hemos tenido que generar niveles de vacío parecidos a los del espacio exterior. Tuvimos que combinar ingeniería criogénica, altos voltajes, haces de electrones, controles electrónicos, software, para poder hacer que todo funcionara en nuestras trampas de alta frecuencia. Eso nos llevó cinco años hasta demostrar que podíamos refrigerar iones de alto estado de carga desde los mega kelvin hasta los micro kelvin. Luego empezamos con la segunda generación, la que ha sido usada ahora… De momento estamos testando en Heidelberg la tercera, un sistema superconductor muy novedoso, y empezando a construir la cuarta. Siempre ha habido que superar reveses y contratiempos. La dedicación, paciencia, perseverancia, y también la inventiva de mis estudiantes han sido esenciales para llegar hasta aquí. Por supuesto, para poder hacer estas cosas hace falta financiación que asuma que cinco, diez años son necesarios para acometer este tipo de proyectos hasta que funcionen. Y una infraestructura técnica, como decía, de talleres especializados dentro del centro de investigación. Sin ellos, el tiempo necesario para que agentes industriales pudiesen proveernos con prototipos sería mucho más largo, ya que simplemente la definición de las prestaciones tal como la industria requiere, más los procesos burocráticos de adquisición, contabilidad prolongan los tiempos y multiplicarían los costos por tres, cinco, diez.

–¿Cuál es ahora mismo el Santo Grial de la física de partículas?

–Hasta que una nueva generación de aceleradores de partículas pueda ser construida han de pasar varias décadas. CERN ha alcanzado resultados extraordinarios, pero también está llegando a sus límites, a pesar de la maestría de sus científicos y técnicos. Para descubrir las partículas que pudieran constituir la materia oscura, o explicar la ausencia de simetría entre materia y antimateria, o alcanzar a vislumbrar qué se esconde tras la materia oscura, las próximas dos décadas requieren experimentos económicamente factibles y con perspectivas de éxito. Los métodos de la física atómica combinados con los de la óptica cuántica están dando paso no solo a la computación cuántica, sino también a técnicas de sensores cuánticos tales como los relojes ópticos. Estos están revolucionando la búsqueda de Nueva Física en varios campos, y podrán asimismo apoyar en otros campos como la detección de ondas gravitacionales o interacciones hipotéticas. La precisión pude sustituir a las altas energías, ya que la naturaleza nos brinda todas las partículas en todos los átomos, aunque sea solo efímeramente. El átomo, o los iones se convierten así en sensores perfectamente reproducibles de todas las interacciones físicas que conocemos, y en testigos potenciales de las desconocidas. En las décadas pasadas hemos aprendido a mejorar estas mediciones. En cada periodo de diez años, la precisión de los relojes atómicos ha mejorado de diez a cien veces.

–¿La hoja de ruta está clara?

Sabemos dónde estamos, a dónde queremos llegar y cómo, y también que la factura es asequible. El personal que se forma en estos equipos de investigación, mucho más pequeños que los de la física de altas energías, aprende a ser muy flexible y a cambiar de estrategia rápidamente… somos más bien piraguas que petroleros. Las técnicas se desarrollan muy rápido, con menos política dada la reducida necesidad de financiación. Por eso, estoy convencido que los próximos veinte años los métodos de altísima precisión van a ser más fáciles de desarrollar y pagar que ciertos grandes proyectos internacionales. Nuestros estudiantes se educan en la misma física, los mismos principios, pero pueden ejercitar una mayor libertad como científicos al mismo tiempo que sirven a la sociedad y aseguran su futuro. Y aprenden a explorar este universo maravilloso en el que vivimos, y a transmitir el espíritu inquieto y crítico que busca la verdad en la Naturaleza, y somete sus propias hipótesis al juicio del experimento como centro del método científico. Esto es sin duda un tremendamente beneficioso para una sociedad en la que los criterios de objetividad se ven cada vez más acosados por actitudes superficiales o demagógicas.

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