La Tierra mantiene el tiempo mediante el tictac de relojes atómicos, pero se está desarrollando un nuevo tipo de reloj, un reloj atómico, que podría revolucionar la forma en que medimos el tiempo y exploramos la física fundamental.
Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, ha demostrado los componentes clave de los relojes atómicos. Un reloj atómico es un nuevo tipo de dispositivo de cronometraje que utiliza señales del núcleo de un átomo. El equipo utilizó un láser ultravioleta especialmente diseñado para medir con precisión la frecuencia de los saltos de energía en los núcleos de torio incrustados en un cristal sólido. También emplearon un peine de frecuencia óptica, que actúa como una regla de luz de alta precisión, para contar el número de ciclos de ondas ultravioleta que producen este salto de energía. Aunque esta demostración de laboratorio no es un reloj atómico completamente desarrollado, tiene toda la tecnología clave para ello.
Los relojes atómicos pueden ser mucho más precisos que los relojes atómicos actuales, que proporcionan la hora internacional oficial y desempeñan un papel importante en tecnologías como el GPS, la sincronización de Internet y las transacciones financieras. Para el público en general, este avance podría significar en última instancia sistemas de navegación más precisos (con o sin GPS), velocidades de Internet más rápidas, conexiones de red más confiables y comunicaciones digitales más seguras.
Más allá de la tecnología cotidiana, los relojes atómicos pueden mejorar las pruebas de teorías fundamentales sobre cómo funciona el universo, lo que podría conducir a nuevos descubrimientos en física. Pueden ayudar a detectar materia oscura o verificar que las constantes de la naturaleza son realmente constantes, lo que permite verificar teorías en física de partículas sin la necesidad de instalaciones de aceleradores de partículas a gran escala.
Precisión láser en el cronometraje
Los relojes atómicos miden el tiempo sintonizando la luz láser a una frecuencia que hace que los electrones salten entre niveles de energía. Los relojes atómicos utilizarán saltos de energía dentro de la pequeña región central de un átomo, conocida como núcleo, donde se agrupan partículas llamadas protones y neutrones. Estos saltos de energía son como accionar un interruptor de luz. Una luz láser brillante con la cantidad justa de energía necesaria para realizar este salto puede activar este “interruptor” nuclear.
Un reloj atómico tendría importantes ventajas en cuanto a precisión del reloj. En comparación con los electrones del reloj atómico, el núcleo se ve mucho menos afectado por perturbaciones externas como los campos electromagnéticos dispersos. La luz láser necesaria para el salto de energía en el núcleo es mucho mayor que la frecuencia necesaria para el reloj atómico. Esta mayor frecuencia, es decir, más ciclos de ondas por segundo, está directamente relacionada con un mayor número de “tics” por segundo y, por lo tanto, conduce a una medición del tiempo más precisa.
Pero hacer un reloj atómico es muy difícil. Para lograr el salto de energía, la mayoría de los núcleos atómicos necesitarían recibir rayos X coherentes (una forma de luz de alta frecuencia) que tienen mucha más energía de la que se puede producir con la tecnología actual. Así que los científicos se centraron en el torio-229, un átomo cuyo núcleo tiene un salto de energía más pequeño que cualquier otro átomo conocido, lo que requiere luz ultravioleta (que tiene menos energía que los rayos X).
En 1976, los científicos descubrieron este salto de energía del torio, conocido en física como “transición nuclear”. En 2003, los científicos propusieron utilizar esta transición para crear un reloj, y no lo observaron directamente hasta 2016. A principios de este año, dos equipos de investigación diferentes utilizaron láseres ultravioleta construidos en laboratorio para activar “interruptores” nucleares y medir longitudes de onda. Necesita luz.
En el nuevo trabajo, los investigadores de JILA y sus colegas crearon todas las partes necesarias de un reloj: torio-229 para proporcionar los “tictacs” del reloj de transición nuclear, un láser para crear saltos de energía precisos entre los estados cuánticos individuales del núcleo. , y la detección directa de estos “ticks”. Un peine de frecuencia para medición. Este esfuerzo logró una precisión un millón de veces mayor que las mediciones anteriores basadas en longitudes de onda. Además, compararon directamente esta frecuencia ultravioleta con la frecuencia óptica utilizada en uno de los relojes atómicos más precisos del mundo, que utiliza átomos de estroncio, estableciendo el primer vínculo de frecuencia directo entre una transición nuclear y un reloj atómico. Este enlace de frecuencia directo y una mayor precisión fueron un paso importante en el desarrollo del reloj atómico y su integración con los sistemas de cronometraje existentes.
La investigación ya ha arrojado resultados sin precedentes, incluida la capacidad de observar detalles en forma de núcleos de torio que nadie había visto antes, similar a ver briznas de hierba individuales desde un avión.
El equipo presenta sus hallazgos en la edición del 4 de septiembre de la revista. la naturaleza Como portada.
Hacia un futuro nuclear
Si bien todavía no se trata de un reloj atómico funcional, es un paso importante hacia la creación de un reloj que pueda ser portátil y altamente estable. El uso de torio incrustado en un cristal sólido, combinado con una sensibilidad reducida del núcleo a las perturbaciones externas, allana el camino para dispositivos de cronometraje potencialmente compactos y potentes.
“Imagínese un reloj de pulsera que hace funcionar durante miles de millones de años sin perder un segundo”, dice Jun Ye, físico del NIST y JILA. “Aunque aún no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión”.
El equipo de investigación incluyó investigadores de JILA, un instituto conjunto del NIST, y la Universidad de Colorado Boulder; Centro de Viena para la Ciencia y la Tecnología Cuánticas; y IMRA América, Inc.