El reloj atómico viene en muchas variedades. Algunos son electrónicos del tamaño de un chip, desarrollados para el ejército pero disponibles comercialmente ahora, mientras que los relojes atómicos más grandes y más precisos registran el tiempo en satélites GPS. Pero todos los relojes atómicos funcionan con el mismo principio. Los átomos puros —algunos relojes usan cesio, otros usan elementos como el rubidio— tienen un cierto número de electrones de valencia, o electrones en la capa externa de cada átomo. Cuando los átomos son golpeados con una frecuencia específica de radiación electromagnética (ondas de luz o microondas, por ejemplo), los electrones de valencia hacen la transición entre dos estados de energía.
En la década de 1960, los científicos dejaron de medir el tiempo basándose en las órbitas y rotaciones de los cuerpos celestes y comenzaron a usar estos relojes basados en los principios de la mecánica cuántica. Puede parecer una forma extraña de medir el tiempo, pero la duración de un número específico de oscilaciones, o "ticks", en una onda de radiación electromagnética es el método oficial por el cual los científicos definen el segundo. Específicamente, un segundo es la duración de 9, 192, 631, 770 oscilaciones de un láser de microondas que provocará la transición de los átomos de cesio.
Pero tenemos relojes atómicos aún mejores que los que miden el cesio.
"Si nuestros dos relojes de iterbio se hubieran iniciado al comienzo del universo, en este momento no estarían de acuerdo entre sí por menos de un segundo", dice William McGrew, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). ), en un correo electrónico.
Reloj atómico de celosía de iterbio ultraestable de NIST. Los átomos de iterbio se generan en un horno (cilindro de metal grande a la izquierda) y se envían a una cámara de vacío en el centro de la foto para ser manipulados y sondeados por láser. La luz láser es transportada al reloj por cinco fibras (como la fibra amarilla en el centro inferior de la foto). (James Burrus / NIST) Los relojes de iterbio en NIST, Yb-1 e Yb-2, son un tipo único de reloj atómico conocido como reloj de red óptica. Esencialmente, los relojes usan radiación electromagnética en la frecuencia óptica, o láser, para atrapar miles de átomos de iterbio y luego hacer que sus electrones externos hagan una transición entre un estado de energía de tierra y un estado de energía excitado. En comparación con el cesio, se requiere una frecuencia más alta de radiación electromagnética para provocar la transición del iterbio.
Todas las ondas electromagnéticas, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, y toda la luz visible en el medio, son el mismo tipo de ondas formadas por fotones; la diferencia es simplemente que las ondas con frecuencias más altas oscilan más rápidamente. Las microondas, que se usan para hacer la transición al cesio, se estiran en longitudes de onda más largas y frecuencias más bajas que la luz visible. El uso de átomos que hacen la transición a frecuencias más altas es clave para construir un mejor reloj. Mientras que un segundo es actualmente alrededor de 9 mil millones de oscilaciones de un microondas, la misma duración de tiempo estaría representada por cerca de 500 billones de oscilaciones de una onda de luz visible, mejorando la capacidad de los científicos para medir con precisión el tiempo.
Si el láser de medición en un reloj de iterbio se marca exactamente a la frecuencia correcta, los átomos de iterbio saltarán al estado de energía excitado. Esto ocurre cuando el láser está a una frecuencia de exactamente 518, 295, 836, 590, 863.6 Hertz, el número de "ticks" en un segundo.
"Esto corresponde a una longitud de onda de 578 nanómetros, que parece amarilla a la vista", dice McGrew.
Las nuevas mediciones con Yb-1 e Yb-2, lideradas por el equipo de McGrew en NIST, han logrado nuevos récords en tres áreas clave de precisión de medición, produciendo, en algunos aspectos, las mejores mediciones de la segunda jamás lograda. Específicamente, los relojes establecen nuevos récords de incertidumbre sistemática, estabilidad y reproducibilidad. Las nuevas medidas se detallan en un artículo publicado hoy en Nature .
Los relojes ópticos de iterbio son aún más precisos en estos aspectos que los relojes de fuente de cesio que se utilizan para determinar la definición de un segundo. Los relojes de iterbio no son técnicamente más precisos que los relojes de cesio, ya que la precisión es específicamente lo cerca que está una medición de la definición oficial, y nada puede ser más preciso que los relojes de cesio en los que se basa la definición. Aun así, la métrica clave aquí es la incertidumbre sistemática, una medida de cuán cerca se da cuenta el reloj de la oscilación natural, verdadera y sin perturbaciones de los átomos de iterbio (la frecuencia exacta que los hace transitar).
Las nuevas mediciones coinciden con la frecuencia natural dentro de un error de 1.4 partes en 10 18, o alrededor de una billonésima parte de la billonésima parte. Los relojes de cesio solo han logrado una incertidumbre sistemática de aproximadamente una parte en 10 16 . Entonces, en comparación con los relojes de cesio, las nuevas mediciones de iterbio "serían 100 veces mejores", dice Andrew Ludlow, físico del NIST y coautor del artículo.
El desafío con este tipo de mediciones es tratar con factores externos que pueden afectar la frecuencia natural de los átomos de iterbio, y debido a que estas son algunas de las mediciones más sensibles jamás logradas, cada efecto físico del universo es un factor. "Casi todo lo que podríamos pensar arbitrariamente en este momento finalmente tiene algún efecto en la frecuencia de oscilación del átomo", dice Ludlow.
Los efectos externos que cambian la frecuencia natural de los relojes incluyen radiación de cuerpo negro, gravedad, campos eléctricos y colisiones leves de los átomos. "Pasamos mucho de nuestro tiempo tratando de pasar cuidadosamente y ... comprender exactamente todos los efectos que son relevantes para estropear la velocidad del reloj, esa frecuencia de transición, y entrar y hacer mediciones de aquellos en los átomos reales para caracterizarlos y ayudarnos a descubrir qué tan bien podemos realmente controlar y medir estos efectos ".
Para reducir los efectos de estos factores físicos naturales, los átomos de iterbio, que ocurren naturalmente en algunos minerales, primero se calientan a un estado gaseoso. Luego, el enfriamiento por láser se usa para reducir la temperatura de los átomos de cientos de grados Kelvin a unas pocas milésimas de grado, y luego se enfría aún más a temperaturas de aproximadamente 10 microkelvin, o 10 millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Los átomos se cargan en una cámara de vacío y un entorno de protección térmica. El láser de medición se transmite a través de los átomos y se refleja sobre sí mismo, creando la "red" que atrapa a los átomos en partes de alta energía de una onda de luz estacionaria, en lugar de una onda continua, como un puntero láser típico.
Mejorar la "estabilidad" y la "reproducibilidad" de las mediciones, para las cuales los relojes de iterbio también establecieron nuevos récords, ayuda a tener más en cuenta las fuerzas externas que afectan a los relojes. La estabilidad de los relojes es esencialmente una medida de cuánto cambia la frecuencia con el tiempo, que se ha medido para Yb-1 e Yb-2 en 3.2 partes en 10 19 en el transcurso de un día. La reproducibilidad es una medida de qué tan cerca coinciden los dos relojes, y a través de 10 comparaciones, se ha determinado que la diferencia de frecuencia entre Yb-1 e Yb-2 es menos de una billonésima parte de una billonésima parte.
"Es crucial tener dos relojes", dice McGrew. “La incertidumbre se caracteriza por examinar cada cambio que podría cambiar la frecuencia de transición. Sin embargo, siempre existe la posibilidad de "incógnitas desconocidas", cambios que aún no se comprenden. Al tener dos sistemas, es posible verificar su caracterización de la incertidumbre al ver si los dos sistemas independientes están de acuerdo entre sí ”.
Los científicos ya utilizan esa precisión en la medición del tiempo, pero las aplicaciones prácticas de mediciones mejoradas de la segunda incluyen avances en la navegación y las comunicaciones. Aunque nadie podría haberlo sabido en ese momento, el trabajo inicial con relojes atómicos a mediados del siglo XX finalmente habilitaría el Sistema de Posicionamiento Global y todas las industrias y tecnologías que dependen de él.
"No creo que pueda predecir completamente qué aplicaciones en 20 o 50 años se beneficiarán más de esto, pero puedo decir que al mirar hacia atrás en la historia, no se anticiparon algunos de los impactos más profundos de los relojes atómicos en la actualidad, "Dice Ludlow.
Los láseres amarillos de uno de los relojes de celosía óptica de iterbio del NIST. (Nate Phillips / NIST) Los relojes de iterbio también podrían usarse en investigaciones físicas avanzadas, como el modelado de campos gravitacionales y la posible detección de materia oscura u ondas gravitacionales. Esencialmente, los relojes son tan sensibles que cualquier interferencia debida al cambio de gravedad u otras fuerzas físicas podría ser detectada. Si colocaste múltiples relojes de iterbio en todo el mundo, podrías medir los pequeños cambios en la gravedad (que es más fuerte más cerca del nivel del mar y más cerca de los polos), lo que permite a los científicos medir la forma del campo gravitacional de la Tierra con más precisión que nunca antes de. Del mismo modo, podría detectarse una interacción con partículas de materia oscura, o incluso posiblemente ondas gravitacionales que afectan a dos relojes dispersos.
“Científicamente, hoy usamos esta sorprendente precisión para algunos de estos estudios de física fundamentales: buscar materia oscura, buscar variaciones de las constantes fundamentales, buscar violaciones en algunas de las teorías de Einstein y otras cosas. ... Si alguna vez descubrimos alguna violación [de las leyes de la física] al usar estas increíbles herramientas de medición, eso podría ser un gran cambio de juego en nuestra comprensión del universo y, por lo tanto, cómo la ciencia y la tecnología evolucionarán a partir de ahora ”.
En los próximos 10 años más o menos, es posible que las instituciones científicas de medición del mundo decidan redefinir el segundo basándose en un reloj óptico en lugar de un reloj de cesio. Tal redefinición es probablemente inevitable, porque los láseres ópticos funcionan a frecuencias mucho más altas que las microondas, aumentando el número de "ticks" del reloj contenidos en un segundo. Una medición de reloj de iterbio sería un buen candidato para una nueva definición, pero los relojes de celosía óptica que utilizan mercurio y estroncio también han producido resultados prometedores, y los relojes ópticos de iones, que suspenden y hacen la transición de un solo átomo, presentan otra posibilidad intrigante para una nueva definición.
Estas mediciones de los fenómenos atómicos se están volviendo cada vez más precisas, y es imposible saber dónde evolucionará nuestra comprensión del tiempo.
