Un reloj atómico es un reloj que mide el tiempo mediante el seguimiento de la frecuencia de resonancia de los átomos. Se basa en que los átomos tienen diferentes niveles de energía . Los estados de los electrones en un átomo están asociados a diferentes niveles de energía y, en las transiciones entre dichos estados, interactúan con una frecuencia muy específica de radiación electromagnética . Este fenómeno sirve de base para la definición de segundo del Sistema Internacional de Unidades (SI) :
El segundo símbolo, s, es la unidad de tiempo del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia del cesio, , la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133, como9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s −1 .
Esta definición es la base del sistema de Tiempo Atómico Internacional (TAI), que se mantiene mediante un conjunto de relojes atómicos en todo el mundo. El sistema de Tiempo Universal Coordinado (UTC) , que es la base del tiempo civil, implementa segundos intercalares para permitir que el tiempo del reloj siga los cambios en la rotación de la Tierra con una precisión de un segundo, al tiempo que se basa en relojes que se basan en la definición del segundo, aunque los segundos intercalares se eliminarán gradualmente en 2035. [2]
Las capacidades de cronometraje preciso de los relojes atómicos también se utilizan para la navegación mediante redes de satélite como el Programa Galileo de la Unión Europea y el GPS de los Estados Unidos . La precisión de cronometraje de los relojes atómicos involucrados es importante porque cuanto menor sea el error en la medición del tiempo, menor será el error en la distancia obtenida al multiplicar el tiempo por la velocidad de la luz (un error de cronometraje de un nanosegundo o una milmillonésima de segundo (10 −9 o 1 ⁄ 1.000.000.000 de segundo) se traduce en una distancia de casi 30 centímetros (11,8 pulgadas) y, por lo tanto, en un error de posición).
La variedad principal de reloj atómico utiliza átomos de cesio enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto . El reloj de fuente de cesio del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos, llamado NIST-F2 , mide el tiempo con una incertidumbre de 1 segundo en 300 millones de años (incertidumbre relativa).10 −16 ). El NIST-F2 se puso en funcionamiento el 3 de abril de 2014. [3] [4]
El físico escocés James Clerk Maxwell propuso medir el tiempo con las vibraciones de las ondas de luz en su Tratado sobre electricidad y magnetismo de 1873: «Se podría encontrar una unidad de tiempo más universal tomando el tiempo periódico de vibración del tipo particular de luz cuya longitud de onda es la unidad de longitud». [5] [6] Maxwell argumentó que esto sería más preciso que la rotación de la Tierra , que define el segundo solar medio para el cronometraje. [7]
Durante la década de 1930, el físico estadounidense Isidor Isaac Rabi construyó equipos para relojes de frecuencia de resonancia magnética de haz atómico . [8] [9]
La precisión de los relojes mecánicos, electromecánicos y de cuarzo se ve reducida por las fluctuaciones de temperatura. Esto llevó a la idea de medir la frecuencia de las vibraciones de un átomo para mantener el tiempo con mucha más precisión, como propusieron James Clerk Maxwell, Lord Kelvin e Isidor Rabi. [10] Propuso el concepto en 1945, lo que llevó a una demostración de un reloj basado en amoníaco en 1949. [11] Esto llevó a que el primer reloj atómico práctico y preciso con átomos de cesio se construyera en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido en 1955 [12] [13] por Louis Essen en colaboración con Jack Parry. [14]
En 1949, Alfred Kastler y Jean Brossel [16] desarrollaron una técnica llamada bombeo óptico para las transiciones de niveles de energía de electrones en átomos utilizando luz. Esta técnica es útil para crear señales de absorción de microondas y resonancia magnética mucho más fuertes . Desafortunadamente, esto causó un efecto secundario con un desplazamiento de la frecuencia de resonancia debido a la luz. Claude Cohen-Tannoudji y otros lograron reducir los desplazamientos de la luz a niveles aceptables.
Ramsey desarrolló un método, conocido hoy en día como interferometría de Ramsey , para frecuencias más altas y resonancias más estrechas en los campos oscilantes. Kolsky, Phipps, Ramsey y Silsbee utilizaron esta técnica para la espectroscopia de haz molecular en 1950. [17]
Después de 1956, los relojes atómicos fueron estudiados por muchos grupos, como el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (anteriormente la Oficina Nacional de Estándares) en los EE. UU., el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Alemania, el Consejo Nacional de Investigación (NRC) en Canadá, el Laboratorio Nacional de Física en el Reino Unido, la Oficina Internacional del Tiempo ( en francés : Bureau International de l'Heure , abreviado BIH), en el Observatorio de París , la Compañía Nacional de Radio , Bomac, Varian , Hewlett–Packard y Frequency & Time Systems. [18]
Durante la década de 1950, la National Radio Company vendió más de 50 unidades del primer reloj atómico, el Atomichron . [19] En 1964, los ingenieros de Hewlett-Packard lanzaron el modelo 5060 montado en bastidor de relojes de cesio. [10]
En 1968, la duración del segundo se definió en9 192 631 770 vibraciones de la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133. Antes de eso se definía por la existencia31 556 925 .9747 segundos en el año trópico 1900. [20] La definición de 1968 se actualizó en 2019 para reflejar las nuevas definiciones de amperio , kelvin , kilogramo y mol decididas en la redefinición de 2019 del Sistema Internacional de Unidades . Los investigadores de cronometraje están trabajando actualmente en el desarrollo de una referencia atómica aún más estable para el segundo, con un plan para encontrar una definición más precisa del segundo a medida que los relojes atómicos mejoren en función de los relojes ópticos o la constante de Rydberg alrededor de 2030. [21] [22]
Los avances tecnológicos como los láseres y los peines de frecuencia óptica en la década de 1990 llevaron a una mayor precisión de los relojes atómicos. [23] [24] Los láseres permiten la posibilidad de control del rango óptico sobre las transiciones de estados atómicos, que tiene una frecuencia mucho más alta que la de las microondas; mientras que el peine de frecuencia óptica mide con gran precisión dicha oscilación de alta frecuencia en la luz.
El primer avance más allá de la precisión de los relojes de cesio se produjo en el NIST en 2010 con la demostración de un reloj óptico de "lógica cuántica" que utilizaba iones de aluminio para lograr una precisión de10 −17 . [25] Los relojes ópticos son un área de investigación muy activa en el campo de la metrología, ya que los científicos trabajan para desarrollar relojes basados en elementos como iterbio , mercurio , aluminio y estroncio . Los científicos de JILA demostraron un reloj de estroncio con una precisión de frecuencia de10 −18 en 2015. [26] Los científicos del NIST desarrollaron un reloj lógico cuántico que midió un solo ion de aluminio en 2019 con una incertidumbre de frecuencia de10 −19 . [27] [28]
En JILA en septiembre de 2021, los científicos demostraron un reloj óptico de estroncio con una precisión diferencial de frecuencia de7,6 × 10 −21 . [29] [30] Se espera que el segundo se redefina cuando el campo de los relojes ópticos madure, en algún momento alrededor del año 2026 o 2030. [22] Para que esto ocurra, los relojes ópticos deben ser capaces de medir el tiempo con una precisión muy alta de manera constante. Además, se deben demostrar métodos para comparar de manera confiable y precisa diferentes relojes ópticos en todo el mundo en laboratorios nacionales de metrología.
Además de una mayor precisión, el desarrollo de relojes atómicos a escala de chip ha ampliado el número de lugares en los que se pueden utilizar los relojes atómicos. En agosto de 2004, los científicos del NIST demostraron un reloj atómico a escala de chip que era 100 veces más pequeño que un reloj atómico común y tenía un consumo de energía mucho menor.125 mW . [31] [32] El reloj atómico tenía aproximadamente el tamaño de un grano de arroz con una frecuencia de aproximadamente 9 GHz. Esta tecnología estuvo disponible comercialmente en 2011. [31] Los relojes atómicos en la escala de un chip requieren menos de 30 milivatios de potencia . [33] [34]
El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología creó un programa NIST en un chip para desarrollar formas compactas de medir el tiempo con un dispositivo de apenas unos milímetros de diámetro. [35]
Los metrólogos están actualmente (2022) diseñando relojes atómicos que implementan nuevos desarrollos como trampas de iones y peines ópticos para alcanzar mayores precisiones. [36]
Un reloj atómico se basa en un sistema de átomos que pueden estar en uno de dos estados de energía posibles. Se prepara un grupo de átomos en un estado y luego se los somete a una radiación de microondas . Si la radiación tiene la frecuencia correcta, varios átomos pasarán al otro estado de energía . Cuanto más cercana sea la frecuencia a la frecuencia de oscilación inherente de los átomos, más átomos cambiarán de estado. Esta correlación permite un ajuste muy preciso de la frecuencia de la radiación de microondas. Una vez que la radiación de microondas se ajusta a una frecuencia conocida en la que el número máximo de átomos cambia de estado, el átomo y, por lo tanto, su frecuencia de transición asociada, se pueden utilizar como un oscilador de cronometraje para medir el tiempo transcurrido. [37]
Varios laboratorios nacionales de metrología mantienen relojes atómicos: entre ellos el Observatorio de París , el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Alemania, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Colorado y Maryland , EE. UU., JILA en la Universidad de Colorado Boulder , el Laboratorio Nacional de Física (NPL) en el Reino Unido y el Instituto Panruso de Investigación Científica para Metrología Física-Ingeniería y Radiotécnica . Lo hacen diseñando y construyendo patrones de frecuencia que producen oscilaciones eléctricas a una frecuencia cuya relación con la frecuencia de transición del cesio 133 es conocida, para lograr una incertidumbre muy baja. Estos patrones de frecuencia primarios estiman y corrigen varios cambios de frecuencia, incluidos los cambios Doppler relativistas vinculados al movimiento atómico, la radiación térmica del entorno ( desplazamiento del cuerpo negro ) y varios otros factores. Los mejores patrones primarios actualmente producen el segundo SI con una precisión que se acerca a una incertidumbre de una parte en10 16 .
Es importante señalar que, en este nivel de precisión, no se pueden ignorar las diferencias en el campo gravitacional del dispositivo. Por lo tanto, el estándar se considera en el marco de la relatividad general para proporcionar un tiempo adecuado en un punto específico. [38]
La Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) proporciona una lista de frecuencias que sirven como representaciones secundarias del segundo. Esta lista contiene los valores de frecuencia y las incertidumbres estándar respectivas para la transición de microondas del rubidio y otras transiciones ópticas, incluidos los átomos neutros y los iones atrapados individuales. Estos estándares de frecuencia secundaria pueden ser tan precisos como una parte en10 18 ; sin embargo, las incertidumbres en la lista son una parte en10 14 –10 16 . Esto se debe a que la incertidumbre en el estándar central de cesio contra el cual se calibran los estándares secundarios es una parte en10 14 –10 16 .
Los patrones de frecuencia primarios se pueden utilizar para calibrar la frecuencia de otros relojes utilizados en laboratorios nacionales. Por lo general, se trata de relojes de cesio comerciales que tienen una estabilidad de frecuencia a largo plazo muy buena y mantienen una frecuencia con una estabilidad mejor que 1 parte en10 14 en unos pocos meses. La incertidumbre de las frecuencias patrón primarias es de alrededor de una parte en10 13 .
Los máseres de hidrógeno , que se basan en la transición hiperfina de 1,4 GHz del hidrógeno atómico, también se utilizan en los laboratorios de metrología del tiempo. Los máseres superan a cualquier reloj de cesio comercial en términos de estabilidad de frecuencia a corto plazo. En el pasado, estos instrumentos se han utilizado en todas las aplicaciones que requieren una referencia constante a lo largo de períodos de tiempo inferiores a un día (estabilidad de frecuencia de aproximadamente 1 parte en diez [ aclaración necesaria ] para tiempos de promediado de unas pocas horas). Debido a que algunos máseres de hidrógeno activos tienen una deriva de frecuencia modesta pero predecible con el tiempo, se han convertido en una parte importante del conjunto de relojes comerciales del BIPM que implementan el Tiempo Atómico Internacional. [38]
Las lecturas horarias de los relojes que funcionan en los laboratorios de metrología que utilizan el BIPM deben conocerse con gran precisión. Algunas operaciones requieren la sincronización de relojes atómicos separados por grandes distancias de miles de kilómetros. Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) proporcionan una solución satisfactoria al problema de la transferencia de tiempo. Los relojes atómicos se utilizan para transmitir señales horarias en el Sistema de posicionamiento global (GPS) de los Estados Unidos , el Sistema global de navegación por satélite (GLONASS) de la Federación Rusa , el sistema Galileo de la Unión Europea y el sistema BeiDou de China .
La señal recibida de un satélite en un laboratorio de metrología equipado con un receptor cuya posición se conoce con precisión permite determinar la diferencia horaria entre la escala horaria local y la hora del sistema GNSS con una incertidumbre de unos pocos nanosegundos cuando se promedia durante 15 minutos. Los receptores permiten la recepción simultánea de señales de varios satélites y utilizan señales transmitidas en dos frecuencias. A medida que se lancen y comiencen a operar más satélites, las mediciones del tiempo serán más precisas.
Estos métodos de comparación de tiempo deben realizar correcciones por los efectos de la relatividad especial y la relatividad general de unos pocos nanosegundos.
Los laboratorios nacionales suelen utilizar una serie de relojes que funcionan de forma independiente y sus mediciones a veces se combinan para generar una escala que es más estable y más precisa que la de cualquier reloj individual que contribuya a la medición. Esta escala permite realizar comparaciones de tiempo entre diferentes relojes en el laboratorio. Estas escalas de tiempo atómico se denominan generalmente TA(k) para el k del laboratorio. [39]
El Tiempo Universal Coordinado (UTC) es el resultado de comparar los relojes de los laboratorios nacionales de todo el mundo con el Tiempo Atómico Internacional (TAI), y luego agregar segundos intercalares según sea necesario. El TAI es un promedio ponderado de alrededor de 450 relojes en unas 80 instituciones de medición del tiempo. [40] La estabilidad relativa del TAI es de alrededor de una parte en10 16 .
Antes de publicar el TAI, se compara la frecuencia del resultado con el segundo del SI en varios patrones de frecuencia primarios y secundarios. Esto requiere que se apliquen correcciones relativistas a la ubicación del patrón primario que dependen de la distancia entre el potencial de gravedad igual y el geoide giratorio de la Tierra. Los valores del geoide giratorio y el TAI cambian ligeramente cada mes y están disponibles en la publicación Circular T del BIPM. La escala de tiempo del TAI se aplaza unas semanas mientras se calcula el promedio de los relojes atómicos de todo el mundo.
El TAI no se distribuye en el cronometraje cotidiano. En su lugar, se suma o resta un número entero de segundos intercalares para corregir la rotación de la Tierra, lo que produce el UTC. El número de segundos intercalares se modifica de modo que el mediodía solar medio en el meridiano de Greenwich no se desvíe del mediodía UTC en más de 0,9 segundos.
Las instituciones nacionales de metrología mantienen una aproximación del UTC denominada UTC(k) para el laboratorio k. El UTC(k) es distribuido por el Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia del BIPM. La diferencia UTC-UTC(k) se calcula cada 5 días y los resultados se publican mensualmente. Los relojes atómicos registran el UTC(k) con una precisión de no más de 100 nanosegundos. En algunos países, el UTC(k) es el tiempo legal que se distribuye por radio, televisión, teléfono, Internet, cables de fibra óptica , transmisores de señales horarias y relojes parlantes. Además, el GNSS proporciona información horaria con una precisión de unas pocas decenas de nanosegundos o mejor.
El segundo SI se define como un cierto número de transiciones hiperfinas del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133. Por lo tanto, los estándares de cesio se consideran estándares primarios de tiempo y frecuencia.
Los relojes de cesio incluyen el reloj NIST-F1 , desarrollado en 1999, y el reloj NIST-F2 , desarrollado en 2013. [41] [42]
El cesio tiene varias propiedades que lo convierten en una buena opción para un reloj atómico. Mientras que un átomo de hidrógeno se mueve a 1.600 m/s a temperatura ambiente y un átomo de nitrógeno se mueve a 510 m/s, un átomo de cesio se mueve a una velocidad mucho más lenta de 130 m/s debido a su mayor masa. [43] [10] La frecuencia hiperfina del cesio (~9,19 GHz) también es más alta que la de otros elementos como el rubidio (~6,8 GHz) y el hidrógeno (~1,4 GHz). [10] La alta frecuencia del cesio permite mediciones más precisas. Los tubos de referencia de cesio adecuados para los estándares nacionales actualmente duran unos siete años y cuestan unos 35.000 dólares estadounidenses. Los estándares primarios de frecuencia y tiempo como los relojes atómicos estándar de tiempo de los Estados Unidos, NIST-F1 y NIST-F2, utilizan una potencia mucho mayor. [32] [44] [45] [46]
En una referencia de frecuencia de haz de cesio , las señales de temporización se derivan de un oscilador de cristal de cuarzo controlado por voltaje de alta estabilidad (VCXO) que se puede ajustar en un rango estrecho. La frecuencia de salida del VCXO (normalmente 5 MHz) se multiplica por un sintetizador de frecuencia para obtener microondas a la frecuencia de la transición hiperfina atómica del cesio (aproximadamente9 192 .6317 MHz ). La salida del sintetizador de frecuencia se amplifica y se aplica a una cámara que contiene gas de cesio que absorbe las microondas. La corriente de salida de la cámara de cesio aumenta a medida que aumenta la absorción.
El resto del circuito simplemente ajusta la frecuencia de funcionamiento del VCXO para maximizar la corriente de salida de la cámara de cesio, lo que mantiene al oscilador sintonizado con la frecuencia de resonancia de la transición hiperfina. [47]
El BIPM define la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de rubidio-87, 6 834 682 610,904 312 6 Hz, en términos de la frecuencia estándar del cesio. Por lo tanto, los relojes atómicos basados en estándares de rubidio se consideran representaciones secundarias del segundo.
Los relojes estándar de rubidio son apreciados por su bajo costo y tamaño pequeño (los estándares comerciales son tan pequeños como1,7 × 10 5 mm 3 ) [31] y estabilidad a corto plazo. Se utilizan en muchas aplicaciones comerciales, portátiles y aeroespaciales. Los tubos estándar de rubidio modernos duran más de diez años y pueden costar tan solo 50 dólares estadounidenses. Algunas aplicaciones comerciales utilizan un estándar de rubidio corregido periódicamente por un receptor de sistema de posicionamiento global (véase oscilador disciplinado GPS ). Esto logra una excelente precisión a corto plazo, con una precisión a largo plazo igual a (y rastreable a) los estándares de tiempo nacionales de EE. UU. [48]
El BIPM define la frecuencia de transición óptica no perturbada del átomo neutro de hidrógeno-1, 1 233 030 706 593 514 Hz, en términos de la frecuencia estándar de cesio. Por lo tanto, los relojes atómicos basados en estándares de hidrógeno se consideran representaciones secundarias del segundo.
Los máseres de hidrógeno tienen una estabilidad superior a corto plazo en comparación con otros estándares, pero una precisión inferior a largo plazo. La estabilidad a largo plazo de los estándares de máseres de hidrógeno disminuye debido a los cambios en las propiedades de la cavidad a lo largo del tiempo. El error relativo de los máseres de hidrógeno es 5 × 10 −16 para períodos de 1000 segundos. Esto hace que los máseres de hidrógeno sean buenos para la radioastronomía , en particular para la interferometría de línea base muy larga . [6]
Los máseres de hidrógeno se utilizan para osciladores de volante en patrones de frecuencia atómica enfriados por láser y para transmitir señales de tiempo de laboratorios de patrones nacionales, aunque deben corregirse a medida que se desvían de la frecuencia correcta con el tiempo. El máser de hidrógeno también es útil para pruebas experimentales de los efectos de la relatividad especial y la relatividad general , como el corrimiento al rojo gravitacional . [6]
Desde 1968, el SI define el segundo como la duración de9 192 631 770 ciclos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles de energía del estado fundamental del átomo de cesio-133. En 1997, el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) añadió que la definición precedente se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de cero absoluto . [49] : 113
Esta definición convierte al oscilador de cesio en el estándar principal para las mediciones de tiempo y frecuencia, llamado estándar de cesio. Tras la redefinición de las unidades básicas del SI en 2019 , la definición de cada unidad básica, excepto el mol y casi todas las unidades derivadas, se basa en la definición del segundo.
El núcleo del reloj atómico de radiofrecuencia tradicional es una cavidad de microondas sintonizable que contiene un gas. En un reloj máser de hidrógeno, el gas emite microondas ( mases de gas ) en una transición hiperfina, el campo en la cavidad oscila y la cavidad se sintoniza para la máxima amplitud de microondas. Alternativamente, en un reloj de cesio o rubidio, el haz o gas absorbe microondas y la cavidad contiene un amplificador electrónico para hacerlo oscilar. Para ambos tipos, los átomos en el gas se preparan en un estado hiperfino antes de llenarlos en la cavidad. Para el segundo tipo, se detecta la cantidad de átomos que cambian de estado hiperfino y la cavidad se sintoniza para un máximo de cambios de estado detectados.
La mayor parte de la complejidad del reloj reside en este proceso de ajuste. El ajuste intenta corregir los efectos secundarios no deseados, como las frecuencias de otras transiciones de electrones, los cambios de temperatura y la dispersión de frecuencias causada por la vibración de las moléculas, incluido el ensanchamiento Doppler . [50] Una forma de hacerlo es barrer la frecuencia del oscilador de microondas a lo largo de un rango estrecho para generar una señal modulada en el detector. La señal del detector puede luego demodularse para aplicar retroalimentación para controlar la deriva a largo plazo en la frecuencia de radio. [51]
De esta manera, las propiedades mecánico-cuánticas de la frecuencia de transición atómica del cesio pueden utilizarse para sintonizar el oscilador de microondas a la misma frecuencia, salvo por una pequeña cantidad de error experimental . Cuando se enciende un reloj por primera vez, el oscilador tarda un tiempo en estabilizarse. En la práctica, el mecanismo de retroalimentación y monitoreo es mucho más complejo. [52]
Muchos de los relojes más nuevos, incluidos los relojes de microondas como los relojes de iones atrapados o los relojes de fuente, y los relojes ópticos como los relojes de red utilizan un protocolo de interrogación secuencial en lugar de la interrogación de modulación de frecuencia descrita anteriormente. [53] Una ventaja de la interrogación secuencial es que puede acomodar Q mucho más altos, con tiempos de llamada de segundos en lugar de milisegundos. Estos relojes también suelen tener un tiempo muerto , durante el cual las colecciones de átomos o iones se analizan, se renuevan y se llevan a un estado cuántico adecuado, después de lo cual se interrogan con una señal de un oscilador local (LO) durante un tiempo de quizás un segundo o más. Luego, se utiliza el análisis del estado final de los átomos para generar una señal de corrección para mantener la frecuencia del LO bloqueada con la de los átomos o iones.
Todos los dispositivos de cronometraje utilizan fenómenos oscilatorios para medir el tiempo con precisión, ya sea la rotación de la Tierra en un reloj de sol , el balanceo de un péndulo en un reloj de pie , las vibraciones de resortes y engranajes en un reloj o los cambios de voltaje en un reloj de cristal de cuarzo . Sin embargo, todos estos se ven fácilmente afectados por los cambios de temperatura y no son muy precisos. Los relojes más precisos utilizan vibraciones atómicas para realizar un seguimiento del tiempo. Los estados de transición del reloj en los átomos son insensibles a la temperatura y otros factores ambientales y la frecuencia de oscilación es mucho más alta que la de cualquiera de los otros relojes (en el régimen de frecuencia de microondas y superiores).
Uno de los factores más importantes en el rendimiento de un reloj es el factor de calidad de línea atómica, Q , que se define como la relación entre la frecuencia absoluta de la resonancia y el ancho de línea de la propia resonancia . La resonancia atómica tiene un Q mucho más alto que los dispositivos mecánicos. Los relojes atómicos también pueden aislarse de los efectos ambientales en un grado mucho mayor. Los relojes atómicos tienen la ventaja de que los átomos son universales, lo que significa que la frecuencia de oscilación también es universal. Esto es diferente de los dispositivos de medición de tiempo mecánicos y de cuarzo que no tienen una frecuencia universal.
La calidad de un reloj se puede especificar mediante dos parámetros: precisión y estabilidad. La precisión es una medida del grado en el que se puede confiar en que la velocidad de tictac del reloj coincida con un estándar absoluto, como la frecuencia hiperfina inherente de un átomo o ion aislado. La estabilidad describe cómo funciona el reloj cuando se promedia en el tiempo para reducir el impacto del ruido y otras fluctuaciones a corto plazo (véase precisión ). [54]
La inestabilidad de un reloj atómico se especifica por su desviación de Allan . [55] La inestabilidad límite debida a las estadísticas de conteo de átomos o iones se da por
donde es el ancho de línea espectroscópico del sistema de reloj, es el número de átomos o iones utilizados en una sola medición, es el tiempo necesario para un ciclo y es el período de promediado. Esto significa que la inestabilidad es menor cuando el ancho de línea es menor y cuando (la relación señal/ruido ) es mayor. La estabilidad mejora a medida que el tiempo durante el cual se promedian las mediciones aumenta de segundos a horas o días. La estabilidad se ve más afectada por la frecuencia del oscilador . Es por eso que los relojes ópticos como los relojes de estroncio (429 terahercios) son mucho más estables que los relojes de cesio (9,19 GHz).
Se ha descubierto que los relojes modernos, como las fuentes atómicas o las redes ópticas que utilizan interrogación secuencial, generan un tipo de ruido que imita y aumenta la inestabilidad inherente al conteo de átomos o iones. Este efecto se denomina efecto Dick [56] y suele ser la principal limitación de estabilidad de los relojes atómicos más nuevos. Es un efecto de aliasing; los componentes de ruido de alta frecuencia en el oscilador local ("LO") se heterodinan a una frecuencia cercana a cero por armónicos de la variación repetida en la sensibilidad de retroalimentación a la frecuencia del LO. El efecto impone requisitos nuevos y estrictos al LO, que ahora debe tener un ruido de fase bajo además de una alta estabilidad, lo que aumenta el costo y la complejidad del sistema. Para el caso de un LO con ruido de frecuencia de parpadeo [57] donde es independiente de , el tiempo de interrogación es , y donde el factor de trabajo tiene valores típicos , la desviación de Allan se puede aproximar como [58]
Esta expresión muestra la misma dependencia de que , y, para muchos de los relojes más nuevos, es significativamente mayor. El análisis del efecto y su consecuencia tal como se aplica a los estándares ópticos se ha tratado en una importante revisión (Ludlow, et al., 2015) [53] que lamentaba "la influencia perniciosa del efecto Dick", y en varios otros artículos. [59] [60]
La precisión de los relojes atómicos ha mejorado continuamente desde el primer prototipo en la década de 1950. La primera generación de relojes atómicos se basaba en la medición de átomos de cesio, rubidio e hidrógeno. En un período de tiempo de 1959 a 1998, el NIST desarrolló una serie de siete relojes de microondas de cesio-133 llamados NBS-1 a NBS-6 y NIST-7 después de que la agencia cambiara su nombre de Oficina Nacional de Normas a Instituto Nacional de Normas y Tecnología. [10] El primer reloj tenía una precisión de10 −11 , y el último reloj tenía una precisión de10 −15 . Los relojes fueron los primeros en utilizar una fuente de cesio , que fue introducida por Jerrod Zacharias , y enfriamiento láser de átomos, que fue demostrado por Dave Wineland y sus colegas en 1978.
El siguiente paso en los avances del reloj atómico implica pasar de precisiones de10 −15 a precisiones de10 −18 y par10 −19 . [a] El objetivo es redefinir el segundo cuando los relojes se vuelvan tan precisos que no perderán ni ganarán más de un segundo en la edad del universo . [b] Para ello, los científicos deben demostrar la precisión de los relojes que utilizan estroncio e iterbio y tecnología de red óptica . Dichos relojes también se denominan relojes ópticos, donde las transiciones de nivel de energía utilizadas están en el régimen óptico (lo que da lugar a una frecuencia de oscilación aún mayor), que, por lo tanto, tienen una precisión mucho mayor en comparación con los relojes atómicos tradicionales. [62]
El objetivo de un reloj atómico conLa precisión de 10 −16 se alcanzó por primera vez en el reloj de fuente de cesio NPL-CsF2 del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido [63] [64] [65] y en el NIST-F2 de los Estados Unidos . [66] [67] El aumento de la precisión de NIST-F1 a NIST-F2 se debe al enfriamiento con nitrógeno líquido de la región de interacción de microondas; la mayor fuente de incertidumbre en NIST-F1 es el efecto de la radiación del cuerpo negro de las paredes cálidas de la cámara. [68] [4]
Se evalúa el desempeño de los patrones de frecuencia primarios y secundarios que contribuyen al Tiempo Atómico Internacional (TAI). La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) publica en línea los informes de evaluación de los relojes individuales (principalmente los primarios).
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La mayoría de las investigaciones se centran en los objetivos, a menudo contradictorios, de hacer que los relojes sean más pequeños, más baratos, más portátiles, más eficientes energéticamente, más precisos , más estables y más fiables. [69] [70] El Experimento del Reloj Átomo Frío en el Espacio (CACES), que prueba un Reloj Átomo Frío en la órbita de la Tierra en condiciones de microgravedad, y el Conjunto de Relojes Atómicos en el Espacio son ejemplos de investigación sobre relojes. [71] [72] [73]
La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) mantiene desde 2006 una lista de frecuencias recomendadas para representaciones secundarias del segundo, que está disponible en línea. La lista contiene los valores de frecuencia y las respectivas incertidumbres estándar para la transición de microondas del rubidio y para varias transiciones ópticas. Estos patrones de frecuencia secundaria tienen una precisión de 10−18 ; sin embargo, las incertidumbres proporcionadas en la lista están en el rango 10-14 – 10−15 ya que están limitados por la vinculación al estándar primario de cesio que actualmente (2018) define al segundo. [38]
Los relojes atómicos experimentales del siglo XXI que proporcionan representaciones secundarias del segundo sin cesio se están volviendo tan precisos que es probable que se utilicen como detectores extremadamente sensibles para otras cosas además de medir la frecuencia y el tiempo. Por ejemplo, la frecuencia de los relojes atómicos se altera ligeramente por la gravedad, los campos magnéticos, los campos eléctricos, la fuerza, el movimiento, la temperatura y otros fenómenos. Los relojes experimentales tienden a seguir mejorando, y el liderazgo en rendimiento ha cambiado de un lado a otro entre varios tipos de relojes experimentales. [85] [86] [87] [88]
En marzo de 2008, los físicos del NIST describieron un reloj lógico cuántico basado en iones individuales de berilio y aluminio . Este reloj se comparó con el reloj de iones de mercurio del NIST . Estos eran los relojes más precisos que se habían construido, sin que el reloj se adelantara ni atrasara a un ritmo que excediera un segundo en más de mil millones de años. [89] En febrero de 2010, los físicos del NIST describieron una segunda versión mejorada del reloj lógico cuántico basado en iones individuales de magnesio y aluminio. Considerado el reloj más preciso del mundo en 2010 con una inexactitud de frecuencia fraccionaria de8,6 × 10 −18 , ofrece más del doble de precisión que el original. [90] [91]
En julio de 2019, los científicos del NIST demostraron un reloj lógico cuántico de Al + con una incertidumbre total de9,4 × 10 −19 , que es la primera demostración de un reloj de este tipo con una incertidumbre inferior a 10−18 y sigue siendo el reloj más preciso del mundo. [92] [93] [94]
La precisión de los relojes cuánticos experimentales ha sido reemplazada desde entonces por relojes de red ópticos experimentales basados en estroncio-87 [95] e iterbio-171 . [96]
Una posibilidad teórica para mejorar el rendimiento de los relojes atómicos es utilizar una transición de energía nuclear (entre diferentes isómeros nucleares ) en lugar de las transiciones de electrones atómicos que miden los relojes atómicos actuales. La mayoría de las transiciones nucleares operan a una frecuencia demasiado alta para ser medidas, pero la energía de excitación excepcionalmente baja de229 millones
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produce " rayos gamma " en el rango de frecuencia ultravioleta. En 2003, Ekkehard Peik y Christian Tamm [97] observaron que esto hace posible un reloj con las técnicas actuales de medición de frecuencia óptica. En 2012, se demostró que un reloj nuclear basado en un solo229
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El ion podría proporcionar una inexactitud de frecuencia fraccionaria total de1,5 × 10 −19 , que era mejor que la tecnología de reloj atómico óptico existente de 2019. [98] Aunque un reloj preciso sigue siendo una posibilidad teórica no realizada, los esfuerzos durante la década de 2010 para medir la energía de transición [99] [100] [101] [102] culminaron en la medición de abril de 2024 de la frecuencia óptica con suficiente precisión (2 020 409 ± 7 GHz =2.020 409 (7) × 10 15 Hz [103] [104] ) que ahora se puede construir un reloj nuclear óptico experimental.
Aunque neutral229 millones
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Los átomos se desintegran en microsegundos por conversión interna , [105] esta vía está prohibida energéticamente en229 millones
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iones, ya que la segunda y superior energía de ionización es mayor que la energía de excitación nuclear, dando229 millones
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iones con una vida media larga del orden de10 3 s . [104] Es la gran relación entre la frecuencia de transición y la vida útil del isómero lo que le da al reloj un alto factor de calidad . [98]
Una transición energética nuclear ofrece las siguientes ventajas potenciales: [106]
En junio de 2015, el Laboratorio Nacional de Física (NPL) en Teddington, Reino Unido; el departamento francés de Sistemas de Referencia Espacio-Tiempo en el Observatorio de París (LNE-SYRTE); el Instituto Nacional Alemán de Metrología (PTB) en Braunschweig ; y el Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) de Italia en los laboratorios de Turín han comenzado pruebas para mejorar la precisión de las comparaciones satelitales de última generación actuales en un factor de 10, pero aún estará limitada a una parte en 1. Estos cuatro laboratorios europeos están desarrollando y albergando una variedad de relojes ópticos experimentales que aprovechan diferentes elementos en diferentes configuraciones experimentales y quieren comparar sus relojes ópticos entre sí y verificar si concuerdan. [107]
En una próxima fase, estos laboratorios se proponen transmitir señales de comparación en el espectro visible a través de cables de fibra óptica. Esto permitirá comparar sus relojes ópticos experimentales con una precisión similar a la precisión esperada de los propios relojes ópticos. Algunos de estos laboratorios ya han establecido enlaces de fibra óptica y han comenzado las pruebas en secciones entre París y Teddington, y París y Braunschweig. También existen enlaces de fibra óptica entre relojes ópticos experimentales entre el laboratorio estadounidense NIST y su laboratorio asociado JILA , ambos en Boulder, Colorado , pero estos abarcan distancias mucho más cortas que la red europea y están entre sólo dos laboratorios. Según Fritz Riehle, físico del PTB, "Europa está en una posición única, ya que tiene una alta densidad de los mejores relojes del mundo". [108]
En agosto de 2016, el LNE-SYRTE francés en París y el PTB alemán en Braunschweig informaron sobre la comparación y concordancia de dos relojes ópticos de red de estroncio experimentales totalmente independientes en París y Braunschweig con una incertidumbre de5 × 10 −17 a través de un nuevo enlace de frecuencia coherente en fase que conecta París y Braunschweig, utilizando 1.415 km (879 mi ) de cable de fibra óptica para telecomunicaciones. Se evaluó que la incertidumbre fraccionaria de todo el enlace era2,5 × 10 −19 , lo que hace posible realizar comparaciones de relojes aún más precisas. [109] [110]
En 2021, el NIST comparó la transmisión de señales de una serie de relojes atómicos experimentales ubicados a aproximadamente 1,5 km (1 mi ) de distancia en el laboratorio del NIST, su laboratorio asociado JILA y la Universidad de Colorado, todos en Boulder, Colorado, a través de aire y cable de fibra óptica con una precisión de8 × 10 −18 . [111] [112]
La idea de atrapar átomos en una red óptica usando láseres fue propuesta por el físico ruso Vladilen Letokhov en la década de 1960. [114] El cambio 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 la explotación de las propiedades de un solo ion retenido en una trampa para desarrollar relojes de la más alta estabilidad. [115] El desarrollo del primer reloj óptico se inició en el NIST en 2000 y finalizó en 2006. [116] Véase [117] para una revisión hasta 2020.
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. [118] 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. [119]
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. [119]
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. [123] [124] Se utilizan láseres y trampas magnetoópticas para enfriar los átomos y lograr una mayor precisión. [125]
Los sistemas atómicos en consideración incluyen Al + , Hg +/2+ , [121] Hg , Sr , Sr +/2+ , In +/3+ , Mg , Ca , Ca + , Yb +/2+/3+ , Yb y Th +/3+ . [126] [127] [128] 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. [129]
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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. [130] 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. [131]
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 lo más preciso que el experimento pudo medir. [132] 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. [133]
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. [134] 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. [135] Un reloj de red óptica mejorado fue descrito en un artículo de Nature de 2014. [136]
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 ". [137] [138] [139] 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. [140] [141]
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. [142] 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". [143] [144] [145]
En 2018, JILA informó que el reloj de gas cuántico 3D alcanzó una precisión de frecuencia residual de2,5 × 10 −19 durante 6 horas. [146] [147] Recientemente se ha demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar a mejorar aún más la estabilidad del reloj. [148] 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. [149] El reloj de estroncio-87 de Ye no ha superado a los relojes ópticos de aluminio-27 [150] o iterbio-171 [151] en términos de precisión de frecuencia.
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. [61] [152]
Los relojes ópticos son actualmente (2022) principalmente proyectos de investigación, menos maduros que los estándares de microondas de rubidio y cesio, que entregan regularmente la hora a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) para establecer el Tiempo Atómico Internacional (TAI) . [153] 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. [121] [154] 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. [121] [155] [156] [157] [158] 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. [159]
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. [160] Estas tecnologías, financiadas originalmente por el Departamento de Defensa de los EE. UU., han dado lugar al primer reloj óptico de montaje en bastidor comercial del mundo en noviembre de 2023. [161]
Los relojes de cesio más precisos basados en la frecuencia de cesio de 9,19 GHz tienen una precisión de entre 10 −15 y 10 −16 . Desafortunadamente, son grandes y solo están disponibles en grandes laboratorios de metrología y no son útiles para fábricas o entornos industriales que utilizarían un reloj atómico para la precisión del GPS pero no pueden permitirse construir un laboratorio de metrología completo para un solo reloj atómico. Los investigadores han diseñado un reloj óptico de estroncio que se puede mover en un remolque de automóvil con aire acondicionado. [162]
En 2022, la mejor realización del segundo se realiza con relojes de patrón primario de cesio como IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 o SYRTE-FO2. Estos relojes funcionan enfriando con láser una nube de átomos de cesio a un microkelvin en una trampa magnetoóptica. Luego, estos átomos fríos se lanzan verticalmente mediante luz láser. Luego, los átomos experimentan una excitación de Ramsey en una cavidad de microondas. Luego, la fracción de átomos excitados se detecta mediante rayos láser . Estos relojes tienen5 × 10 −16 incertidumbre sistemática, que equivale a 50 picosegundos por día. Un sistema de varias fuentes en todo el mundo contribuye al Tiempo Atómico Internacional. Estos relojes de cesio también respaldan las mediciones de frecuencia óptica.
La ventaja de los relojes ópticos se puede explicar con la afirmación de que la inestabilidad , donde es la inestabilidad, f es la frecuencia y S / N es la relación señal/ruido. Esto conduce a la ecuación .
Los relojes ópticos se basan en transiciones ópticas prohibidas en iones o átomos. Tienen frecuencias de alrededor de 1000 Hz.10 15 Hz , con un ancho de línea natural de típicamente 1 Hz, por lo que el factor Q es aproximadamente10 15 , o incluso más. Tienen mejores estabilidades que los relojes de microondas, lo que significa que pueden facilitar la evaluación de incertidumbres más bajas. También tienen una mejor resolución temporal, lo que significa que el reloj "hace tictac" más rápido. [163] Los relojes ópticos utilizan un solo ion o una red óptica con10 4 –10 6 átomos.
Una definición basada en la constante de Rydberg implicaría fijar el valor en un valor determinado: . La constante de Rydberg describe los niveles de energía en un átomo de hidrógeno con la aproximación no relativista .
La única forma viable de fijar la constante de Rydberg consiste en atrapar y enfriar el hidrógeno. Desafortunadamente, esto es difícil porque es muy ligero y los átomos se mueven muy rápido, lo que provoca desplazamientos Doppler. La radiación necesaria para enfriar el hidrógeno...121,5 nm — también es difícil. Otro obstáculo es mejorar la incertidumbre en los cálculos de electrodinámica cuántica /EDQ. [164]
En el Informe de la 25.ª reunión del Comité Consultivo de Unidades (2021), [165] se consideraron 3 opciones para la redefinición del segundo en algún momento alrededor de 2026, 2030 o 2034. El primer enfoque de redefinición considerado fue una definición basada en una única transición de referencia atómica. El segundo enfoque de redefinición considerado fue una definición basada en una colección de frecuencias. El tercer enfoque de redefinición considerado fue una definición basada en la fijación del valor numérico de una constante fundamental, como hacer de la constante de Rydberg la base de la definición. El comité concluyó que no había una forma factible de redefinir el segundo con la tercera opción, ya que actualmente no se conoce ninguna constante física con suficientes dígitos para permitir la realización del segundo con una constante.
Una redefinición debe incluir una mayor fiabilidad del reloj óptico. Los relojes ópticos deben contribuir a la TAI antes de que el BIPM afirme una redefinición. Se debe desarrollar un método consistente de enviar señales, como la fibra óptica , antes de que se redefina el segundo. [164]
El desarrollo de los relojes atómicos ha dado lugar a numerosos avances científicos y tecnológicos, como los sistemas de navegación por satélite globales y regionales de precisión y las aplicaciones en Internet , que dependen fundamentalmente de los estándares de frecuencia y tiempo. Los relojes atómicos se instalan en los emplazamientos de los transmisores de radio de señales horarias . [166] Se utilizan en algunas estaciones de radiodifusión de onda larga y onda media para ofrecer una frecuencia portadora muy precisa. [167] Los relojes atómicos se utilizan en muchas disciplinas científicas, como la interferometría de línea de base larga en radioastronomía . [168]
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) operado por la Fuerza Espacial de los Estados Unidos proporciona señales de tiempo y frecuencia muy precisas. Un receptor GPS funciona midiendo el retardo temporal relativo de las señales de un mínimo de cuatro, pero normalmente más, satélites GPS, cada uno de los cuales tiene al menos dos relojes atómicos de cesio y hasta dos de rubidio a bordo. Los tiempos relativos se transforman matemáticamente en tres coordenadas espaciales absolutas y una coordenada de tiempo absoluta. [169] El tiempo GPS (GPST) es una escala de tiempo continua y teóricamente precisa hasta unos 14 nanosegundos . [170] Sin embargo, la mayoría de los receptores pierden precisión en la interpretación de las señales y solo son precisos hasta 100 nanosegundos. [171] [172]
El GPST está relacionado con el TAI (Tiempo Atómico Internacional) y el UTC (Tiempo Universal Coordinado) pero difiere de ambos. El GPST se mantiene a una diferencia constante con respecto al TAI (TAI – GPST = 19 segundos) y, al igual que el TAI, no implementa segundos intercalares . Se realizan correcciones periódicas a los relojes de a bordo de los satélites para mantenerlos sincronizados con los relojes terrestres. [173] [174] El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre el GPST y el UTC. A partir de julio de 2015, el GPST está 17 segundos por delante del UTC debido al segundo intercalar añadido al UTC el 30 de junio de 2015. [175] [176] Los receptores restan esta diferencia del tiempo GPS para calcular el UTC.
El sistema de navegación por satélite global (GLONASS), operado por las Fuerzas de Defensa Aeroespacial de Rusia, ofrece una alternativa al sistema de posicionamiento global (GPS) y es el segundo sistema de navegación en funcionamiento con cobertura global y precisión comparable. El tiempo GLONASS (GLONASSST) es generado por el sincronizador central GLONASS y suele ser mejor que 1000 nanosegundos. [177] A diferencia del GPS, la escala de tiempo GLONASS implementa segundos intercalares, como el UTC. [178]
El sistema de navegación por satélite global Galileo es operado por la Agencia Europea del GNSS y la Agencia Espacial Europea . Galileo comenzó a ofrecer capacidad operativa temprana (EOC) global el 15 de diciembre de 2016, proporcionando el tercer y primer sistema de navegación por satélite global operado por personal no militar. [179] [180] El tiempo del sistema Galileo (GST) es una escala de tiempo continua que se genera en tierra en el Centro de Control Galileo en Fucino, Italia, por la Instalación de Sincronización Precisa, basada en promedios de diferentes relojes atómicos y mantenida por el Segmento Central Galileo y sincronizada con TAI con un desfase nominal por debajo de 50 nanosegundos. [181] [182] [183] [180] Según la Agencia Europea del GNSS, Galileo ofrece una precisión de tiempo de 30 nanosegundos. [184]
El Informe de rendimiento trimestral de marzo de 2018 del Centro de servicio GNSS europeo informó que la precisión del servicio de difusión de tiempo UTC fue ≤ 7,6 nanosegundos, calculada mediante la acumulación de muestras durante los 12 meses anteriores, y superó el objetivo de ≤ 30 ns. [185] [186] Cada satélite Galileo tiene dos máseres pasivos de hidrógeno y dos relojes atómicos de rubidio para la sincronización a bordo. [187] [188]
El mensaje de navegación de Galileo incluye las diferencias entre GST, UTC y GPST, para promover la interoperabilidad. [189] [190] En el verano de 2021, la Unión Europea se decidió por un máser pasivo de hidrógeno para la segunda generación de satélites Galileo, a partir de 2023, con una vida útil prevista de 12 años por satélite. Los máseres miden unos 60 centímetros de largo y pesan 18 kilos. [191]
El sistema de navegación por satélite BeiDou-2/BeiDou-3 es operado por la Administración Nacional del Espacio de China . El tiempo BeiDou (BDT) es una escala de tiempo continua que comienza el 1 de enero de 2006 a las 0:00:00 UTC y está sincronizado con el UTC en 100 ns. [192] [193] BeiDou comenzó a funcionar en China en diciembre de 2011, con 10 satélites en uso, [194] y comenzó a ofrecer servicios a clientes en la región de Asia y el Pacífico en diciembre de 2012. [195] El 27 de diciembre de 2018, el sistema de navegación por satélite BeiDou comenzó a proporcionar servicios globales con una precisión temporal informada de 20 ns. [196] El último satélite BeiDou-3, el 35.º, para cobertura global se lanzó a la órbita el 23 de junio de 2020. [197]
En abril de 2015, la NASA anunció que planeaba desplegar en el espacio exterior un Reloj Atómico del Espacio Profundo (DSAC), un reloj atómico de iones de mercurio miniaturizado y ultrapreciso. La NASA afirmó que el DSAC sería mucho más estable que otros relojes de navegación. [198] El reloj se lanzó con éxito el 25 de junio de 2019, [199] se activó el 23 de agosto de 2019 [200] y se desactivó dos años después, el 18 de septiembre de 2021. [201]
En 2022, DARPA anunció una campaña para actualizar los sistemas de cronometraje militar de EE. UU. para lograr una mayor precisión a lo largo del tiempo cuando los sensores no tienen acceso a los satélites GPS, con un plan para alcanzar una precisión de 1 parte en10 12 . La red robusta de reloj óptico equilibrará la usabilidad y la precisión a medida que se desarrolle a lo largo de 4 años. [202] [203]
Un reloj de radio es un reloj que se sincroniza automáticamente por medio de señales de tiempo de radio recibidas por un receptor de radio . Algunos fabricantes pueden etiquetar los relojes de radio como relojes atómicos, [204] porque las señales de radio que reciben se originan en relojes atómicos. Los receptores de grado de consumidor normales de bajo costo que dependen de las señales de tiempo moduladas en amplitud tienen una incertidumbre de precisión práctica de ± 0,1 segundo. Esto es suficiente para muchas aplicaciones de consumo. [204] Los receptores de tiempo de grado instrumental proporcionan una mayor precisión. Los relojes de radio incurren en un retraso de propagación de aproximadamente 1 ms por cada 300 kilómetros (186 mi) de distancia desde el transmisor de radio . Muchos gobiernos operan transmisores para fines de cronometraje. [205]
La relatividad general predice que los relojes funcionan más lentamente en las profundidades de un campo gravitatorio, y este efecto de corrimiento al rojo gravitacional ha sido bien documentado. Los relojes atómicos son eficaces para poner a prueba la relatividad general en escalas cada vez más pequeñas. Un proyecto para observar doce relojes atómicos desde el 11 de noviembre de 1999 hasta octubre de 2014 dio como resultado una demostración más de que la teoría de la relatividad general de Einstein es precisa en escalas pequeñas. [206]
En 2021, un equipo de científicos de JILA midió la diferencia en el paso del tiempo debido al corrimiento al rojo gravitacional entre dos capas de átomos separadas por un milímetro utilizando un reloj óptico de estroncio enfriado a 100 nanokelvins con una precisión de7,6 × 10 −21 segundos. [207] Dada su naturaleza cuántica y el hecho de que el tiempo es una cantidad relativista, los relojes atómicos se pueden utilizar para ver cómo el tiempo se ve influenciado por la relatividad general y la mecánica cuántica al mismo tiempo. [208] [209]
Los relojes atómicos mantienen registros precisos de las transacciones entre compradores y vendedores con una precisión de milisegundos o mejor, particularmente en el comercio de alta frecuencia . [210] [211] Se necesita un cronometraje preciso para evitar el comercio ilegal antes de tiempo, además de garantizar la equidad para los comerciantes del otro lado del mundo. El sistema actual conocido como NTP solo tiene una precisión de milisegundos. [212]
Actualmente, la incertidumbre fraccionaria de tipo B en NIST-F1 es
0,31 × 10 −15 y está dominado por la incertidumbre en la corrección del desplazamiento de la radiación del cuerpo negro (BBR), que es0,28 × 10 −15 (esto corresponde a una incertidumbre de 1 grado en el entorno de radiación tal como lo ven los átomos en NIST-F1). Para mejorar el rendimiento del estándar de frecuencia primaria del NIST, buscamos reducir la incertidumbre debido al efecto BBR. Para lograr este objetivo y comprender mejor el modelo aceptado del cambio de BBR, desarrollamos NIST-F2, un estándar de frecuencia primaria de fuente de Cs enfriado por láser en el que la estructura de cavidad de microondas y el tubo de vuelo funcionan a temperaturas criogénicas (80K ).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de junio de 2024 ( enlace )La resonancia nuclear de los iones Th
4+
en Th:CaF
2
se mide en la longitud de onda
148,3821(5) nm , frecuencia2 020 .409(7) THz , y la vida útil de la fluorescencia en el cristal es630(15) s , correspondiente a una vida media de isómero de1740(50) s para un núcleo aislado en el vacío.
Una vida media de
Se ha medido 7 ± 1 μs