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Reloj óptico

Un reloj óptico es un reloj que utiliza luz para medir el tiempo. Se diferencia de un reloj atómico en que utiliza luz visible , en lugar de microondas . [1] [2] Se han estudiado varios elementos químicos para su posible uso en relojes ópticos. Estos incluyen aluminio , mercurio , estroncio , indio , magnesio , calcio , iterbio y torio . El concepto de reloj óptico se originó con John L. Hall y Theodor W. Hansch , quienes juntos ganaron el Premio Nobel de Física en 2005.

Descripción general

El desarrollo de peines de frecuencia de femtosegundos , redes ópticas, ha dado lugar a una nueva generación de relojes atómicos. Estos relojes se basan en transiciones atómicas que emiten luz visible en lugar de microondas . Un obstáculo importante para el desarrollo de un reloj óptico es la dificultad de medir directamente las frecuencias ópticas. Este problema se ha solucionado con el desarrollo de láseres autorreferenciados de modo bloqueado, comúnmente denominados peines de frecuencia de femtosegundos. [3] Antes de la demostración del peine de frecuencia en 2000, se necesitaban técnicas de terahercios para salvar la brecha entre las frecuencias de radio y ópticas, y los sistemas para hacerlo eran engorrosos y complicados. Con el refinamiento del peine de frecuencia, estas mediciones se han vuelto mucho más accesibles y ahora se están desarrollando numerosos sistemas de relojes ópticos en todo el mundo. [4]

Espectroscopia

Al igual que en el rango de radio, la espectroscopia de absorción se utiliza para estabilizar un oscilador, en este caso, un láser. Cuando la frecuencia óptica se divide en una frecuencia de radio contable utilizando un peine de femtosegundos , el ancho de banda del ruido de fase también se divide por ese factor. Aunque el ancho de banda del ruido de fase del láser es generalmente mayor que el de las fuentes de microondas estables, después de la división es menor. [4]

Sistemas utilizados

Los principales sistemas que se están considerando para su uso en estándares de frecuencia óptica son:

Estas técnicas permiten que los átomos o iones estén altamente aislados de perturbaciones externas, produciendo así una referencia de frecuencia extremadamente estable. [8] [9] Se utilizan láseres y trampas magnetoópticas para enfriar los átomos y mejorar la precisión. [10]

Átomos utilizados

Uno de los pares de relojes atómicos de red óptica de iterbio del NIST de 2013

Los sistemas atómicos que se consideran incluyen Al + , Hg +/2+ , [6] Hg , Sr , Sr +/2+ , In +/3+ , Mg , Ca , Ca + , Yb +/2+/3+ , Yb y Th +/3+ . [11] [12] [13] El color de la radiación electromagnética de un reloj depende del elemento que se estimule. Por ejemplo, los relojes ópticos de calcio resuenan cuando se produce luz roja, y los relojes de iterbio resuenan en presencia de luz violeta. [14]

El iterbio (Yb), un elemento de tierras raras, no es tan valioso por sus propiedades mecánicas como por su complemento de niveles de energía internos. "Una transición particular en los átomos de Yb, a una longitud de onda de 578 nm, proporciona actualmente uno de los estándares de frecuencia atómica óptica más precisos del mundo", dijo Marianna Safronova. [15] La incertidumbre estimada alcanzada corresponde a aproximadamente un segundo durante la vida útil del universo hasta ahora, 15 mil millones de años, según los científicos del Joint Quantum Institute (JQI) y la Universidad de Delaware en diciembre de 2012. [16]

Historia

Siglo XX

Mayo de 2009: el reloj atómico óptico de estroncio de JILA se basa en átomos neutros. Al proyectar un láser azul sobre átomos de estroncio ultrafríos en una trampa óptica, se prueba la eficacia con la que una ráfaga de luz previa de un láser rojo ha impulsado los átomos a un estado excitado. Sólo los átomos que permanecen en el estado de energía más bajo responden al láser azul, lo que provoca la fluorescencia que se ve aquí. [17]

La idea de atrapar átomos en una red óptica utilizando láseres fue propuesta por el físico ruso Vladilen Letokhov en la década de 1960. [18]

Década de 2000

El paso teórico de las microondas como "escape" atómico para los relojes a la luz en el rango óptico, más difícil de medir pero que ofrece un mejor rendimiento, le valió a John L. Hall y Theodor W. Hänsch el Premio Nobel de Física en 2005. Uno de los Nobel de Física de 2012, David J. Wineland , es un pionero en explotar las propiedades de un solo ion retenido en una trampa para desarrollar relojes de la más alta estabilidad. [19] El desarrollo del primer reloj óptico se inició en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en 2000 y finalizó en 2006. [20]

Década de 2010

En 2013 se demostró que los relojes de red óptica (OLC) eran tan buenos o mejores que los relojes de fuente de cesio. Dos relojes de red óptica que contenían aproximadamente10 000  átomos de estroncio-87 pudieron permanecer sincronizados entre sí con una precisión de al menos1,5 × 10 −16 , que es la precisión máxima que el experimento pudo medir. [21] Se ha demostrado que estos relojes siguen el ritmo de los tres relojes de fuente de cesio del Observatorio de París . Hay dos razones para la posible mayor precisión. En primer lugar, la frecuencia se mide utilizando luz, que tiene una frecuencia mucho más alta que las microondas, y en segundo lugar, al utilizar muchos átomos, se promedian los errores. [22]

Utilizando átomos de iterbio-171 , un nuevo récord de estabilidad con una precisión deEl 22 de agosto de 2013 se publicó un resultado de 1,6 × 10 −18 durante un período de 7 horas. Con esta estabilidad, los dos relojes de red óptica que funcionan independientemente uno del otro y que utiliza el equipo de investigación del NIST diferirían menos de un segundo a lo largo de la edad del universo (13,8 × 10 9  años ); esto fue 10 veces mejor que los experimentos anteriores. Los relojes se basan en 10 000 átomos de iterbio enfriados a 10 microkelvin y atrapados en una red óptica. Un láser a 578 nm excita los átomos entre dos de sus niveles de energía. [23] Habiendo establecido la estabilidad de los relojes, los investigadores están estudiando influencias externas y evaluando las incertidumbres sistemáticas restantes, con la esperanza de que puedan reducir la precisión del reloj al nivel de su estabilidad. [24] Un reloj de red óptica mejorado fue descrito en un artículo de Nature de 2014. [25]

En 2015, JILA evaluó la incertidumbre de frecuencia absoluta de un reloj de red óptica de estroncio-87 en2,1 × 10 −18 , que corresponde a una dilatación del tiempo gravitacional medible para un cambio de elevación de 2 cm (0,79 pulgadas) en el planeta Tierra que, según Jun Ye , miembro de JILA/NIST, "está muy cerca de ser útil para la geodesia relativista ". [26] [27] [28] Con esta incertidumbre de frecuencia, se espera que este reloj reticular óptico de JILA no gane ni pierda un segundo en más de 15 mil millones de años. [29] [30]

El reloj atómico cuántico tridimensional (3-D) de gas de JILA de 2017 consta de una rejilla de luz formada por tres pares de rayos láser. Se utiliza una pila de dos mesas para configurar los componentes ópticos alrededor de una cámara de vacío. Aquí se muestra la mesa superior, donde se montan las lentes y otros elementos ópticos. Un rayo láser azul excita una nube de átomos de estroncio en forma de cubo ubicada detrás de la ventana redonda en el medio de la mesa. Los átomos de estroncio emiten una intensa fluorescencia cuando se excitan con luz azul.

En 2017, JILA informó sobre un reloj óptico tridimensional cuántico experimental de gas de estroncio en el que los átomos de estroncio-87 están empaquetados en un pequeño cubo tridimensional (3-D) a una densidad 1000 veces mayor que la de los relojes unidimensionales (1-D) anteriores, como el reloj JILA de 2015. Una comparación entre dos regiones de la misma red tridimensional arrojó una precisión residual de5 × 10 −19 en 1 hora de tiempo promedio. [31] Este valor de precisión no representa la precisión absoluta del reloj, que permanece por encima1 × 10 −18 y1 × 10 −17 respectivamente. La pieza central del reloj óptico tridimensional de gas cuántico de estroncio es un estado inusual de la materia llamado gas degenerado de Fermi (un gas cuántico para partículas de Fermi). Los datos experimentales muestran que el reloj tridimensional de gas cuántico alcanzó una precisión residual de3,5 × 10 −19 en aproximadamente dos horas. Según Jun Ye, "esto representa una mejora significativa con respecto a cualquier demostración anterior". Ye comentó además que "el potencial más importante del reloj de gas cuántico 3D es la capacidad de aumentar la cantidad de átomos, lo que conducirá a una enorme ganancia en estabilidad" y "la capacidad de aumentar tanto la cantidad de átomos como el tiempo de coherencia hará que este reloj de nueva generación sea cualitativamente diferente de la generación anterior". [32] [33] [34]

En 2018, JILA informó que el reloj de gas cuántico 3D alcanzó una precisión de frecuencia residual de2,5 × 10 −19 durante 6 horas. [35] [36] Recientemente se ha demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar a mejorar aún más la estabilidad del reloj. [37]

Década de 2020

En 2020 se investigaron relojes ópticos para aplicaciones espaciales como las futuras generaciones de sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) como reemplazos de los relojes basados ​​en microondas. [38] El reloj de estroncio-87 de Ye no ha superado a los relojes ópticos de aluminio-27 [39] o iterbio-171 [40] en términos de precisión de frecuencia.

Véase [41] para una revisión hasta 2020.

En febrero de 2022, científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison informaron sobre un reloj atómico óptico " multiplexado ", en el que los relojes individuales se desviaban entre sí con una precisión equivalente a perder un segundo en 300 mil millones de años. La pequeña desviación informada se explica porque los osciladores de reloj en cuestión se encuentran en entornos ligeramente diferentes. Estos están provocando diferentes reacciones a la gravedad, los campos magnéticos u otras condiciones. Este enfoque de red de relojes miniaturizados es novedoso porque utiliza una red óptica de átomos de estroncio y una configuración de seis relojes que se pueden utilizar para demostrar la estabilidad relativa, la incertidumbre fraccionaria entre relojes y métodos para comparaciones de ultraalta precisión entre conjuntos de relojes atómicos ópticos que se encuentran cerca unos de otros en una instalación de metrología. [42] [43]

A partir de 2022, los relojes ópticos son principalmente proyectos de investigación y menos maduros que los estándares de microondas de rubidio y cesio, que regularmente entregan tiempo a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) para establecer el Tiempo Atómico Internacional (TAI) . [44] A medida que los relojes ópticos experimentales superan a sus contrapartes de microondas en términos de precisión y rendimiento de estabilidad, esto los coloca en posición de reemplazar el estándar actual para el tiempo, el reloj de fuente de cesio. [6] [45] En el futuro, esto podría llevar a redefinir el segundo SI basado en microondas de cesio, y se requerirán otras nuevas técnicas de difusión al más alto nivel de precisión para transferir señales de reloj que se puedan usar en comparaciones de rango más corto y rango más largo (frecuencia) entre mejores relojes y para explorar sus limitaciones fundamentales sin comprometer significativamente su rendimiento. [6] [46] [47] [48] [49] El BIPM informó en diciembre de 2021 que, basándose en el progreso de los estándares ópticos que contribuyen al TAI, el Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia (CCTF) inició el trabajo hacia una redefinición del segundo prevista para la década de 2030. [50]

En julio de 2022, se demostraron relojes ópticos atómicos basados ​​en moléculas de yodo en el mar en un buque de guerra y funcionaron de forma continua en el océano Pacífico durante 20 días en el ejercicio RIMPAC 2022. [51] Estas tecnologías, financiadas originalmente por el Departamento de Defensa de EE. UU., han dado lugar al primer reloj óptico de montaje en bastidor comercial del mundo en noviembre de 2023. [52]

Véase también

Referencias

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