Desarrollan un reloj atómico óptico con una exactitud sin precedentes

La precisión del reloj es tal, que podría redefinir la precisión del segundo como unidad de tiempo.

Un equipo de investigadores dirigidos por Jun Ye, profesor de Física de la Universidad de Colorado Boulder (EE.UU.) y miembro del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), desarrolló un reloj atómico de precisión y exactitud sin precedentes.

Aplicaciones revolucionarias

El novedoso reloj utiliza una red óptica para atrapar miles de átomos con ondas de luz visible, lo que permite realizar las mediciones más precisas hasta la fecha. Promete grandes mejoras en campos como la navegación espacial y la búsqueda de partículas.

“Si queremos que una nave espacial aterrice en Marte con una precisión milimétrica, vamos a necesitar relojes que sean órdenes de magnitud más precisos que los que tenemos hoy en el GPS”, explica Ye. “Este nuevo reloj es un gran paso para hacer eso posible”, afirma.

“Este reloj es tan preciso que puede detectar pequeños efectos predichos por teorías como la relatividad general, incluso a escala microscópica”, subraya el experto. “Está ampliando los límites de lo que es posible en materia de cronometraje”, agrega. La precisión del reloj es tal, que podría redefinir la precisión del segundo como unidad de tiempo. Los resultados de esta investigación se publicaron recientemente en Physical Review Letters.

Luz visible mejor que microondas

Los relojes atómicos de la generación actual miden un segundo iluminando los átomos con microondas, similares a las frecuencias de las oscilaciones electromagnéticas dentro de un horno microondas. Miden específicamente el período durante el cual un electrón oscila en un átomo de cesio. Estos instrumentos se conocen como “relojes atómicos de microondas”, explica a Phys.org Alexander Aeppli, coautor del estudio. Sin embargo, la nueva generación de relojes ilumina los átomos con ondas de luz visible, que tienen una frecuencia mucho más alta, para contar el segundo con mucha más precisión.

En comparación con los relojes de microondas actuales, se espera que los relojes ópticos brinden una precisión mucho mayor para el cronometraje internacional, con un retraso potencial de solo un segundo cada 30.000 millones de años.

El nuevo reloj utiliza una red de luz conocida como “red óptica” para atrapar y medir simultáneamente decenas de miles de átomos de estroncio individuales. Tener un conjunto tan grande proporciona una enorme ventaja en cuanto a precisión. Cuantos más átomos se midan, más datos tendrá el reloj para obtener una medición precisa del segundo.

Como un reloj mecánico

“Un reloj típico tiene tres componentes: un oscilador, un contador y una referencia”, detalla Aeppli. “En un reloj de péndulo clásico, el oscilador es un péndulo que oscila hacia adelante y hacia atrás, una vez por segundo. Un conjunto de engranajes cuenta esta oscilación y hace avanzar las manecillas de los segundos, los minutos y las horas. Por último, la referencia es la posición del sol en el cielo, donde el mediodía es cuando el sol está directamente sobre la cabeza”, precisa el científico.

Los relojes de red óptica funcionan según los mismos tres principios que los relojes convencionales. Sin embargo, en este tipo de reloj, el oscilador, el contador y la referencia de frecuencia adoptan una forma muy diferente. En los relojes ópticos reticulares, el oscilador está formado por un láser ultraestable, mientras que el contador es un peine de frecuencias. La referencia de frecuencia de este reloj está formada por átomos de estroncio.

“Cada pocos segundos, apuntamos el láser a los átomos durante 2,4 s. Si el láser se ha desviado de la resonancia atómica, corregimos esta desviación. El peine de frecuencia convierte las frecuencias ópticas en frecuencias de microondas, y la belleza de este dispositivo es que la estabilidad de frecuencia de las microondas es la misma que la de las frecuencias ópticas”, expone Aeppli.

Después de que el peine de frecuencias convierte las frecuencias ópticas en frecuencias de microondas, los períodos de estas frecuencias se analizan mediante electrónica simple para generar un segundo, que está fundamentalmente ligado a la frecuencia de transición del estroncio.