Una nueva era en el cronometraje

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Primer reloj atómico del NIST

Todos los relojes deben tener un proceso regular , constante o repetitivo o una acción que marque los incrementos iguales de tiempo. Por ejemplo el movimiento diario del sol a través del cielo, un péndulo o un cristal que vibra. En el caso de los relojes atómicos, utilizan la frecuencia de transición electrónica entre dos niveles energéticos de un átomo como frecuencia estándar en el tiempo. Esta es más estable y precisa que los dispositivos mecánicos. Las frecuencias pueden corresponden a la región de microondas, óptica o ultravioleta del espectro electromagnético de los átomos.

El principio de funcionamiento de un reloj atómico se basa, entonces, de la física atómica. Utiliza la señal que emiten los electrones cuando cambian de niveles de energía. El primer reloj átomico lo construyó Willard Frank Libby en 1949 y se basaba, como todos los primeros que se hiceron, en máseres a temperatura ambiente. Un máser (Microwave Amplification by Stimulated Emision of Radiation) es un amplificador similar a láser que opera en la región de microondas del espectro electromagnético y sirve para recibir señales muy débiles. Cuando un átomo se halla en un estado energético adecuado y pasa cerca de una onda electromagnética adecuada esta puede inducirles a emitir energía en forma de otra radiación electromagnética con la misma longitud onda que refuerza la onda de paso y desencadena una escala de fenómenos que llevan a aumentar mucho la intensitad del impulso original.

En la actualidad los relojes atómicos más precisos se  enfrian los átomos deteniéndolos  con láseres. Un haz de luz láser moviéndose en dirección opuesta a un haz de átomos, interaccionan con ellos de manera que estos absorben energía de los fotones del haz láser. Esto ocurre cuando la energía de los fotones es exactamente igual a la diferencia entre los niveles de energía de los átomos. Pero cuando el átomo está en movimiento, por el efecto Doppler, “ve” una frecuencia ligeramente diferente a la de los fotones incidentes. Por lo que la frecuencia del haz láser se elige de manera que sea muy próxima a la frecuencia de absorción del átomo, pero no idéntica a esta. Se utliza más de un láser en direcciones opuestas (por ejemplo 6 láseres). Cada vez que el átomo comienza a moverse hacia uno de los los haces, el efecto Doppler provoca que la radiación del haz sea absorbida por el átomo y este retome a su sitio.

NIST F1

NIST F1

Los átomos son enfriados a temperaturas próximas al cero absoluto, atrapándolos. Una vez atrapados, dos láseres verticales impulsan al alza los átomos (Fuente Átomos) dentro de una cámara de microondas. El reloj atómico NIST F1 una el “movimiento Fuente” de los átomos de Cesio para dterminar la longitud del segundo con tanta precisiónque si fuera a funcionar continuadamente no perdería ni ganaría un segundo en 80 millones de años.

Funcionamiento del NIST F1

Funcionamiento del NIST F1

Se introduce un gas de átomos de Cesio en la cámara de vacío del reloj. A continuación 6 rayos láser de infrarojo son dirigidos en ángulo recto entre sí al centro de la cámara. Los láseres empujan suavemente los átomos de Cesio juntos en una bola. En el proceso de creación de la bola, los láseres ralentizan el movimiento de los átomos y los enfría a temperatura cercana al cero absoluto. Dos láseres certicales son utilizados para tirar suavemente la bola hacia arriba (la acción “fuente”) y , a continuación todos los láseres son apagados. Este pequeño empujón es suficiente para lanzar la bola hacia arriba alrededor de 1 metro de altura a través de una cavidad llena de microondas. Pero por influencia de la gravedad, esta cae hacia abajo a través de la cavidad de microondas. La ida y vuelta a través de la cavidad de microondas tiene una duración de 1 segundo. Durante el viaje , los estados se pueden o alterar por la interacción con la señal de microondas. Cuando el viaje acaba, otro láser apunta a los átomos. Los que han sido alterados por la señal de microondas emiten luz que es detectada por le detector. Os recomiendo que vayáis a la siguiente página del National Institute of Standards and Technology (NIST) y veáis el video explicativo de funcionamiento del NIST F1.

Los avances tecnológicos han permitido mejorar cada vez más los relojes atómicos. La exactitud (accuracy) y la estabilidad son dos características clave que evalúan el rendimiento de un reloj atómico. La exactitud se refiere a la capacidad de un reloj para medir el valor aceptado de la frecuencia en la que los átomos del reloj vibran. Aunque en la literatura general NIST utiliza a veces el término preciso prar describir el rendimiento porque es menos técnico y tiene connotaciones más positivas que la incertidumbre. Por lo que a partir de ahora también lo usaré como ellos. La estabilidad se define como el grado en que cada tick coincide con la duración de cada otro tick.

Recientemente un grupo de investigación dirigido por NIST ha dado a conocer un nuevo reloj atómico de estroncio experimental que ha establecido nuevos récords mundiales de precisión y estabilidad. El reloj está en un lanoratorio del JILA, un instituto asociado al NIST y a la University of Colorado Boulder. Este nuevo reloj atómico de estroncio es aproximadamente 50% más preciso que el poseedor del récord de los últimos años, NIST’s quantum logic clock. El nuevo reloj es tan preciso que no ganaría ni perdería un segundo en unos 5000 milliones de años. En cuanto estabilidad, esta es casi la misma que el otro líder mundial, NIST’s ytterbium atomic clock. Si queréis saber cómo funciona este reloj atómico, os recomiendo que veáis el siguiente video.

Reloj atómico de estroncio experimental de JILA .
Credit: Ye group and Baxley/JILA

Fuentes:

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