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Para ver un reloj actualizado por señales de radio que a veces se denomina incorrectamente "reloj atómico", consulte Radio reloj . Para conocer el reloj como medida de riesgo de destrucción catastrófica, consulte Doomsday Clock . Para otros temas, consulte Atomic Clock (desambiguación) .

Reloj atómico
FOCS-1.jpg
FOCS 1, un reloj atómico continuo con fuente de cesio fría en Suiza, comenzó a funcionar en 2004 con una incertidumbre de un segundo en 30 millones de años.
ClasificaciónReloj
IndustriaTelecomunicaciones , ciencia
SolicitudTAI , navegación por satélite
Fuente de combustibleElectricidad
Motorizadosí
El conjunto de reloj atómico maestro en el Observatorio Naval de EE. UU. En Washington, DC , que proporciona el estándar de tiempo para el Departamento de Defensa de EE. UU. [1] Las unidades montadas en bastidor en el fondo son relojes de haz de cesio Microsemi (anteriormente HP) 5071A. Las unidades negras en primer plano son estándares de máser de hidrógeno Microsemi (anteriormente Sigma-Tau) MHM-2010.

Un reloj atómico es un reloj cuyo mecanismo de cronometraje se basa en la interacción de la radiación electromagnética con los estados excitados de ciertos átomos . Específicamente, se utiliza una transición hiperfina en el microondas o una transición electrónica en la región óptica o ultravioleta del espectro de emisión de un átomo como estándar de frecuencia para el elemento de cronometraje. Los relojes atómicos son los estándares de tiempo y frecuencia más precisos que se conocen, y se utilizan como estándares primarios.para los servicios internacionales de distribución de la hora , para controlar la frecuencia de onda de las transmisiones de televisión, y en los sistemas globales de navegación por satélite , como el GPS .

El principio de funcionamiento de un reloj atómico se basa en la física atómica ; mide la señal electromagnética que emiten los electrones en los átomos cuando cambian los niveles de energía . Los primeros relojes atómicos se basaban en máseres a temperatura ambiente. Desde 2004, los relojes atómicos más precisos primero enfrían los átomos a una temperatura cercana al cero absoluto al ralentizarlos con láseres y sondearlos en fuentes atómicas en una cavidad llena de microondas . Un ejemplo de esto es el reloj atómico NIST-F1 , uno de los principales estándares nacionales de tiempo y frecuencia de los Estados Unidos.

La precisión de un reloj atómico depende de dos factores: el primero es la temperatura de los átomos de la muestra; los átomos más fríos se mueven mucho más lentamente, lo que permite tiempos de sonda más largos, el segundo es la frecuencia y el ancho de línea intrínseco de la transición electrónica o hiperfina. Las frecuencias más altas y las líneas estrechas aumentan la precisión.

Las agencias nacionales de normalización de muchos países mantienen una red de relojes atómicos que se comparan entre sí y se mantienen sincronizados con una precisión de 10 a 9 segundos por día (aproximadamente 1 parte en 10 14 ). Estos relojes definen colectivamente una escala de tiempo continua y estable, el Tiempo Atómico Internacional (TAI). Para el tiempo civil, se difunde otra escala de tiempo, el Tiempo Universal Coordinado (UTC). UTC se deriva de TAI, pero ha agregado segundos intercalares de UT1 , para tener en cuenta las variaciones en la rotación de la Tierra con respecto a la hora solar .

Historia [ editar ]

Louis Essen (derecha) y Jack Parry (izquierda) junto al primer reloj atómico de cesio-133 del mundo

La idea de usar transiciones atómicas para medir el tiempo fue sugerida por Lord Kelvin en 1879. [2] La resonancia magnética , desarrollada en la década de 1930 por Isidor Rabi , se convirtió en el método práctico para hacer esto. [3] En 1945, Rabi sugirió públicamente por primera vez que la resonancia magnética de haz atómico podría usarse como la base de un reloj. [4] El primer reloj atómico fue un dispositivo de línea de absorción de amoniaco a 23870,1 MHz construido en 1949 en la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos (NBS, ahora NIST ). Era menos preciso que los relojes de cuarzo existentes , pero sirvió para demostrar el concepto. [5]El primer reloj atómico preciso, un estándar de cesio basado en una cierta transición del átomo de cesio-133 , fue construido por Louis Essen y Jack Parry en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. [6] [7] La calibración del reloj atómico estándar de cesio se llevó a cabo mediante el uso de la escala de tiempo astronómico tiempo de efemérides (ET). [8] En 1967, esto llevó a la comunidad científica a redefinir el segundo en términos de una frecuencia atómica específica. La igualdad del segundo ET con el segundo SI (reloj atómico) se ha verificado dentro de 1 parte en 10 10 . [9]El segundo SI hereda así el efecto de las decisiones de los diseñadores originales de la escala de tiempo de efemérides , determinando la duración del segundo ET.

Desde el comienzo del desarrollo en la década de 1950, los relojes atómicos se han basado en las transiciones hiperfinas en hidrógeno-1 , cesio-133 y rubidio-87 . El primer reloj atómico comercial fue el Atomichron , fabricado por la Compañía Nacional . Se vendieron más de 50 entre 1956 y 1960. Este voluminoso y costoso instrumento fue reemplazado posteriormente por dispositivos mucho más pequeños de montaje en bastidor, como el estándar de frecuencia de cesio Hewlett-Packard modelo 5060, lanzado en 1964. [3]

A finales de la década de 1990, cuatro factores contribuyeron a importantes avances en los relojes: [10]

  • Enfriamiento láser y atrapamiento de átomos.
  • Las denominadas cavidades Fabry-Pérot de alta delicadeza para anchos de línea láser estrechos
  • Espectroscopia láser de precisión
  • Cómodo recuento de frecuencias ópticas mediante peines ópticos .
Se espera que los relojes atómicos a escala de chip, como este que se dio a conocer en 2004, mejoren en gran medida la ubicación del GPS .

En agosto de 2004, los científicos del NIST demostraron un reloj atómico a escala de chip . [11] Según los investigadores, se creía que el reloj era una centésima parte del tamaño de cualquier otro. No requiere más de 125  mW , [12] lo que lo hace adecuado para aplicaciones a batería. Esta tecnología estuvo disponible comercialmente en 2011. [12] Los relojes ópticos experimentales con trampa de iones son más precisos que el estándar actual de cesio.

En abril de 2015, la NASA anunció que planeaba desplegar un Reloj Atómico del Espacio Profundo (DSAC), un reloj atómico de iones de mercurio miniaturizado y ultrapreciso, en el espacio exterior. La NASA dijo que el DSAC sería mucho más estable que otros relojes de navegación. [13]

Mecanismo [ editar ]

Desde 1968, el Sistema Internacional de Unidades (SI) ha definido el segundo como la duración de 9 192 631 770  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) agregó que la definición anterior se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de cero absoluto . [14]

Esta definición hace que el oscilador de cesio sea el estándar principal para las mediciones de tiempo y frecuencia, llamado estándar de cesio . Las definiciones de otras unidades físicas, por ejemplo, el voltio y el medidor , se basan en la definición del segundo. [15]

En este diseño particular, la referencia de tiempo de un reloj atómico consiste en un oscilador electrónico que opera a una frecuencia de microondas. El oscilador está dispuesto de modo que sus componentes que determinan la frecuencia incluyen un elemento que puede ser controlado por una señal de retroalimentación. La señal de retroalimentación mantiene el oscilador sintonizado en resonancia con la frecuencia de la transición hiperfina de cesio o rubidio.

El núcleo del reloj atómico de radiofrecuencia es una cavidad de microondas sintonizable que contiene un gas. En un reloj de máser de hidrógeno, el gas emite microondas (las masas 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 del gas se preparan en un estado hiperfino antes de llenarlos en la cavidad. Para el segundo tipo, se detecta el número 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 radica 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 los efectos de conjunto . [ aclaración necesaria ] Una forma de hacer esto es barrer la frecuencia del oscilador de microondas a través de un rango estrecho para generar una señal modulada en el detector. La señal del detector se puede demodularpara aplicar retroalimentación para controlar la deriva a largo plazo en la frecuencia de radio. De esta manera, las propiedades de la mecánica cuántica de la frecuencia de transición atómica del cesio pueden usarse para sintonizar el oscilador de microondas a la misma frecuencia, excepto por una pequeña cantidad de error experimental. Cuando se enciende un reloj por primera vez, el oscilador tarda un poco en estabilizarse. En la práctica, el mecanismo de seguimiento y retroalimentación es mucho más complejo.

Precisión histórica de los relojes atómicos del NIST

Varios otros esquemas de reloj atómico utilizados para otros fines. Los relojes estándar de rubidio son apreciados por su bajo costo, tamaño pequeño (los estándares comerciales son tan pequeños como 17 cm 3 ) [12] y estabilidad a corto plazo. Se utilizan en muchas aplicaciones comerciales, portátiles y aeroespaciales. Los máseres de hidrógeno (a menudo fabricados en Rusia) tienen una estabilidad superior a corto plazo en comparación con otros estándares, pero menor precisión a largo plazo.

A menudo, un estándar se usa para arreglar otro. Por ejemplo, algunas aplicaciones comerciales utilizan un estándar de rubidio corregido periódicamente por un receptor de sistema de posicionamiento global (ver oscilador disciplinado GPS ). Esto logra una excelente precisión a corto plazo, con una precisión a largo plazo igual (y rastreable) a los estándares de tiempo nacionales de EE. UU.

La vida útil de un estándar es una cuestión práctica importante. Los tubos estándar de rubidio modernos duran más de diez años y pueden costar tan solo 50 dólares estadounidenses. [ cita requerida ] Los tubos de referencia de cesio adecuados para los estándares nacionales actualmente duran alrededor de siete años y cuestan alrededor de US $ 35.000. La estabilidad a largo plazo de los estándares de máser de hidrógeno disminuye debido a los cambios en las propiedades de la cavidad a lo largo del tiempo.

Los relojes modernos utilizan trampas magneto-ópticas para enfriar los átomos y mejorar la precisión.

Consumo de energía [ editar ]

El consumo de energía de los relojes atómicos varía con su tamaño. Los relojes atómicos en la escala de un chip requieren menos de 30 milivatios ; [16] Los estándares primarios de frecuencia y tiempo, como los relojes atómicos estándar de la hora de los Estados Unidos, NIST-F1 y NIST-F2, utilizan una potencia mucho mayor. [11] [17]

Exactitud evaluada [ editar ]

La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) publica en línea los informes de precisión evaluados u B de varios estándares primarios de frecuencia y tiempo . Varios grupos de estándares de frecuencia y tiempo a partir de 2015 informaron valores de u B en el rango de 2 × 10 −16 a 3 × 10 −16 . [18]

En 2011, el reloj de fuente de cesio NPL-CsF2 operado por el Laboratorio Nacional de Física (NPL) , que sirve como el estándar de tiempo y frecuencia principal del Reino Unido, se mejoró con respecto a las dos fuentes más grandes de incertidumbres de medición: la fase de cavidad distribuida y la frecuencia de lente de microondas. turnos. En 2011, esto resultó en una reducción de la incertidumbre de frecuencia evaluada de u B = 4.1 × 10 −16 a u B = 2.3 × 10 −16 , el valor más bajo para cualquier estándar nacional primario en ese momento. [19] Con esta incertidumbre de frecuencia, se espera que el NPL-CsF2 no gane ni pierda un segundo en aproximadamente 138 millones ( 138 × 10 6) años. [20] [21] [22]

Los físicos del NIST Steve Jefferts (primer plano) y Tom Heavner con el reloj atómico de fuente de cesio NIST-F2, un estándar de tiempo civil para los Estados Unidos

El reloj fuente de cesio NIST-F2 operado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) , se lanzó oficialmente en abril de 2014, para servir como un nuevo estándar de frecuencia y tiempo civil de EE. UU., Junto con el estándar NIST-F1 . El nivel de rendimiento de u B planificado de NIST-F2 es 1 × 10 −16 . [23] "En este nivel de rendimiento planificado, el reloj NIST-F2 no perderá un segundo en al menos 300 millones de años". [24]NIST-F2 fue diseñado usando lecciones aprendidas de NIST-F1. El avance clave del NIST-F2 en comparación con el NIST-F1 es que el tubo de vuelo vertical ahora se enfría dentro de un contenedor de nitrógeno líquido, a −193 ° C (−315,4 ° F). Este enfriamiento cíclico reduce drásticamente la radiación de fondo y, por lo tanto, reduce algunos de los errores de medición muy pequeños que deben corregirse en NIST-F1. [25] [26]

La primera evaluación de precisión interna de NIST-F2 informó un u B de 1,1 × 10 −16 . [27] Sin embargo, una crítica científica publicada de esa evaluación de precisión NIST F-2 describió problemas en su tratamiento de los cambios de fase de cavidad distribuida y el cambio de frecuencia de lentes de microondas, [28] que se trata de manera significativamente diferente a la mayoría de los relojes precisos de fuente. evaluaciones. La siguiente presentación de NIST-F2 al BIPM en marzo de 2015 informó nuevamente un u B de 1.5 × 10 −16 , [29]pero no abordó las críticas permanentes. No ha habido informes posteriores al BIPM desde NIST-F2 ni se ha publicado una evaluación de precisión actualizada.

A pedido de la organización de estándares italiana, NIST fabricó muchos componentes duplicados para una segunda versión de NIST-F2, conocida como IT-CsF2, que será operada por el Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM), contraparte de NIST en Turín, Italia. A partir de febrero de 2016, el reloj de fuente de cesio IT-CsF2 comenzó a reportar un u B de 1.7 × 10 −16 en los informes BIPM de evaluación de estándares de frecuencia primaria. [30] [31]

Investigación [ editar ]

Un reloj atómico de cesio de 1975 (unidad superior) y batería de respaldo (unidad inferior) [32]
Un reloj óptico experimental basado en estroncio

La mayor parte de la investigación se centra 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. [33] El Conjunto de Reloj Atómico en el Espacio es un ejemplo de investigación de relojes. [34] [35]

Representaciones secundarias del segundo [ editar ]

La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) mantiene una lista de frecuencias recomendadas para representaciones secundarias del segundo desde 2006 y está disponible en línea . La lista contiene los valores de frecuencia y las respectivas incertidumbres estándar para la transición de microondas de rubidio y para varias transiciones ópticas. Estos estándares de frecuencia secundaria son precisos al nivel de partes en 10 −18 ; sin embargo, las incertidumbres proporcionadas en la lista están en el rango de partes en 10 −14 - 10 −15 ya que están limitadas por la vinculación al estándar primario de cesio que actualmente (2015) define el segundo.

Tipofrecuencia de trabajo
en Hz		Desviación relativa de Allan
relojes típicos
133 C9 192 631 770 por definición [36]10 −13
87 Rb6834 682610.904 324 [37]10 -12
1 hora1420 405 751.7667 [38] [39]10 -15
Reloj óptico ( 87 Sr )429 228 004 229 873.4 [40]10 −17

Para el contexto, un femtosegundo (1 × 10 −15  s ) es a un segundo lo que un segundo es aproximadamente 31,71 millones (31,71 × 10 6 ) años y un attosegundo (1 × 10 −18  s ) es a un segundo lo que un segundo es aproximadamente 31,71 mil millones (31,71 × 10 9 ) años.

Los relojes atómicos experimentales del siglo XXI que proporcionan representaciones secundarias no basadas en cesio del segundo 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 ve ligeramente alterada 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 el rendimiento se ha desplazado hacia adelante y hacia atrás entre varios tipos de relojes experimentales.

Relojes cuánticos [ editar ]

Más información: reloj cuántico

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 ganara ni perdiera tiempo a una velocidad que superaría un segundo en más de mil millones de años. [41] 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 fraccional de8,6 × 10 −18 , ofrece más del doble de precisión que el original. [42] [43] En julio de 2019, los científicos del NIST demostraron un reloj de lógica cuántica de Al + con una incertidumbre total de 9,4 × 10 −19 , que es la primera demostración de un reloj de este tipo con una incertidumbre por debajo de 10 −18 . [44] [45] [46] [47]

Desde entonces, la precisión de los relojes cuánticos experimentales ha sido reemplazada por los relojes de celosía óptica experimentales basados ​​en estroncio-87 e iterbio-171 .

Relojes ópticos [ editar ]

Mayo de 2009 : el reloj atómico óptico de estroncio de JILA se basa en átomos neutros. Al hacer brillar un láser azul sobre átomos de estroncio ultrafríos en una trampa óptica, se prueba la eficiencia con la que una ráfaga de luz anterior de un láser rojo ha impulsado los átomos a un estado excitado. Solo los átomos que permanecen en el estado de menor energía responden al láser azul, lo que provoca la fluorescencia que se ve aquí. [48]

El paso teórico de las microondas como el "escape" atómico de 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 títulos de Física de 2012 Los Nobelistas, David J. Wineland , es un pionero en la explotación de las propiedades de un solo ión retenido en una trampa para desarrollar relojes de la más alta estabilidad.

Las nuevas tecnologías, como los peines de frecuencia de femtosegundos , las redes ópticas y la información cuántica , han permitido prototipos de relojes atómicos de próxima generación. Estos relojes se basan en transiciones ópticas en lugar de microondas. Un gran obstáculo para el desarrollo de un reloj óptico es la dificultad de medir directamente las frecuencias ópticas. Este problema se ha resuelto con el desarrollo de láseres de bloqueo de modo de autorreferencia, comúnmente denominados peines de frecuencia de femtosegundos . 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 reloj óptico en todo el mundo.

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.

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

  • iones individuales aislados en una trampa de iones;
  • átomos neutros atrapados en una red óptica y [49] [50]
  • átomos empaquetados en una red óptica tridimensional de gas cuántico.

Estas técnicas permiten que los átomos o iones estén altamente aislados de las perturbaciones externas, produciendo así una referencia de frecuencia extremadamente estable.

Los sistemas atómicos que se están considerando incluyen Al + , Hg + / 2 + , [49] Hg , Sr , Sr + / 2 + , In + / 3 + , Mg , Ca , Ca + , Yb + / 2 + / 3 + , Yb y Th + / 3 + . [51] [52] [53]

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

El elemento de las tierras raras iterbio (Yb) no se valora tanto por sus propiedades mecánicas sino 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 ópticos de frecuencia atómica más precisos del mundo", dijo Marianna Safronova. [54] La cantidad estimada de incertidumbre alcanzada corresponde a una incertidumbre del reloj Yb de aproximadamente un segundo durante la vida útil del universo hasta ahora, 15 mil millones de años, según científicos del Joint Quantum Institute (JQI) y la Universidad de Delaware en diciembre. 2012.

En 2013, se demostró que los relojes de celosía óptica (OLC) eran tan buenos o mejores que los relojes de fuente de cesio. Dos relojes de celosía óptica que contenían alrededor de 10 000 átomos de estroncio-87 pudieron permanecer en sincronía entre sí con una precisión de al menos 1,5 × 10 -16 , que es tan precisa como pudo medir el experimento. [55] 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 mejor precisión. En primer lugar, la frecuencia se mide con luz, que tiene una frecuencia mucho más alta que las microondas, y en segundo lugar, al usar muchos átomos, se promedia cualquier error. [56] Utilizandoátomos de iterbio-171 , un nuevo récord de estabilidad con una precisión de1.6 × 10 −18 durante un período de 7 horas se publicó el 22 de agosto de 2013. Con esta estabilidad, los dos relojes de celosía óptica que funcionan de forma independiente entre sí utilizados por el equipo de investigación del NIST diferirían en 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. [57] Habiendo establecido la estabilidad de los relojes, los investigadores están estudiando las influencias externas y evaluando las incertidumbres sistemáticas restantes, con la esperanza de que puedan reducir la precisión del reloj al nivel de su estabilidad. [58] Un reloj de celosía óptico mejorado se describió en un artículo de Nature de 2014. [59] En 2015 JILAevaluó la incertidumbre de frecuencia absoluta de un reloj de celosía óptica de estroncio-87 a 2,1 × 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 JILA / NIST Fellow Jun Ye está "acercándose mucho a ser útil para la geodesia relativista ". [60] [61] [62] Con esta incertidumbre de frecuencia, se espera que este reloj de celosía óptica JILA no gane ni pierda un segundo en más de 15 mil millones ( 15 × 10 9 ) años. [63] [64]

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

En 2017, JILA informó sobre un reloj de celosía óptica de estroncio de gas cuántico 3D experimental en el que los átomos de estroncio-87 se empaquetan en un pequeño cubo tridimensional (3-D) a 1000 veces la densidad de los relojes unidimensionales (1-D) anteriores, como el reloj JILA 2015. Una comparación de reloj síncrono entre dos regiones de la red 3D arrojó un nivel récord de sincronización de 5 × 10 -19 en 1 hora de tiempo promedio. [65] La pieza central del reloj de celosía óptica de estroncio y gas cuántico 3D es un estado inusual de la materia llamado gas Fermi degenerado (un gas cuántico para las partículas de Fermi). Los datos experimentales muestran que el reloj de gas cuántico 3D alcanzó una precisión de 3,5 × 10 -19.en unas dos horas. Según Jun Ye "Esto representa una mejora significativa con respecto a las demostraciones anteriores". Ye comentó además: "El potencial más importante del reloj de gas cuántico 3D es la capacidad de escalar el número de átomos, lo que conducirá a una enorme ganancia en estabilidad". y "La capacidad de aumentar tanto el número de átomos como el tiempo de coherencia hará que este reloj de nueva generación sea cualitativamente diferente de la generación anterior". [66] [67] [68] En 2018, JILA informó que el reloj de gas cuántico 3D alcanzó una precisión de frecuencia de 2,5 × 10 -19 durante 6 horas. [69] [70] A esta incertidumbre de frecuencia, este reloj de gas cuántico 3D perdería o ganaría alrededor de 0,1 segundos con respecto a la edad del universo.[71]Recientemente se ha demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar a mejorar aún más la estabilidad del reloj. [72]

Los relojes ópticos son actualmente (2021) todavía principalmente proyectos de investigación, menos maduros que los estándares de microondas de rubidio y cesio, que regularmente entregan tiempo a la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) para establecer el Tiempo Atómico Internacional (TAI) . [73] A medida que los relojes experimentales ópticos se mueven más allá de sus homólogos de microondas en términos de rendimiento de precisión y estabilidad, esto los coloca en una posición para reemplazar el estándar actual para el tiempo, el reloj de fuente de cesio. [49] [74]En el futuro, esto podría llevar a redefinir el segundo SI basado en microondas de cesio y se requerirán otras nuevas técnicas de diseminación al más alto nivel de precisión para transferir señales de reloj que se puedan usar en comparaciones de rango más corto y más largo (frecuencia) entre mejores relojes y explorar sus limitaciones fundamentales sin comprometer significativamente su rendimiento. [49] [75] [76] [77] [78]

Concepto de reloj nuclear (óptico) [ editar ]

Artículo principal: reloj nuclear

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 medida, pero en 2003, Ekkehard Peik y Christian Tamm [79] observaron que la energía de excitación excepcionalmente baja deLos 229mThestá al alcance de las técnicas actuales de medición de frecuencia, lo que hace posible un reloj. En 2012, se demostró que un reloj nuclear basado en un solo229
Th3+
ion podría proporcionar una inexactitud de frecuencia fraccional total de 1,5 × 10 -19 , que es mejor que la tecnología de reloj atómico existente de 2019. [80] Aunque sigue siendo una posibilidad teórica no realizada, a partir de 2019 se han realizado avances significativos hacia el desarrollo de un reloj nuclear experimental. [81] [82] [83] [84]

Una transición a la energía nuclear ofrece las siguientes ventajas potenciales: [85]

  1. Mayor frecuencia. En igualdad de condiciones, una transición de frecuencia más alta ofrece una mayor estabilidad por razones estadísticas simples (las fluctuaciones se promedian en más ciclos por segundo).
  2. Inmunidad a los efectos ambientales. Debido a su pequeño tamaño y los efectos de protección de los electrones circundantes, un núcleo atómico es mucho menos sensible a los campos electromagnéticos ambientales que un electrón.
  3. Mayor número de átomos. Debido a la inmunidad mencionada anteriormente a los campos ambientales, no es necesario tener los átomos del reloj bien separados en un gas diluido. De hecho, sería posible aprovechar el efecto Mössbauer y colocar los átomos en un sólido, lo que permitiría interrogar a miles de millones de átomos.

Técnicas de comparación de relojes [ editar ]

En junio de 2015, el Laboratorio Físico Nacional Europeo (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 las pruebas para mejorar la precisión de las comparaciones de satélites de última generación en un factor de 10, pero aún se limitará a una parte en 1 × 10 - dieciséis. Estos 4 laboratorios europeos están desarrollando y albergan 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 están de acuerdo. En una próxima fase, estos laboratorios se esfuerzan por 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 las precisiones esperadas de los propios relojes ópticos. Algunos de estos laboratorios ya han establecido enlaces de fibra óptica y han comenzado las pruebas en las secciones entre París y Teddington, y París y Braunschweig. También existen enlaces de fibra óptica entre relojes ópticos experimentales entre el laboratorio NIST estadounidense y su laboratorio asociado JILA, ambos en Boulder, Colorado, pero abarcan distancias mucho más cortas que la red europea y se encuentran entre solo dos laboratorios. Según Fritz Riehle, físico de PTB, "Europa se encuentra en una posición única, ya que tiene una alta densidad de los mejores relojes del mundo". [86] En agosto de 2016, el LNE-SYRTE francés en París y el PTB alemán en Braunschweig informaron de la comparación y el acuerdo de dos relojes ópticos de celosía de estroncio experimentales totalmente independientes en París y Braunschweig con una incertidumbre de 5 × 10 −17 a través de una fase recientemente establecida. -enlace de frecuencia coherente que conecta París y Braunschweig, utilizando 1.415  km (879  mi) de cable de fibra óptica de telecomunicaciones. La incertidumbre fraccionaria de todo el enlace se evaluó en 2,5 × 10 -19 , lo que posibilitó comparaciones de relojes aún más precisos. [87] [88]

Aplicaciones [ editar ]

El desarrollo de los relojes atómicos ha dado lugar a muchos avances científicos y tecnológicos, como un sistema de sistemas de navegación por satélite mundiales y regionales precisos y aplicaciones en Internet , que dependen fundamentalmente de los estándares de frecuencia y tiempo. Los relojes atómicos se instalan en los sitios de transmisores de radio de señales horarias . Se utilizan en algunas estaciones de radiodifusión de onda larga y media para ofrecer una frecuencia portadora muy precisa. [ cita requerida ] Los relojes atómicos se utilizan en muchas disciplinas científicas, como para la interferometría de línea de base larga en radioastronomía . [89]

Sistemas mundiales de navegación por satélite [ editar ]

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) operado por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Proporciona señales de frecuencia y sincronización muy precisas. Un receptor GPS funciona midiendo el retardo de tiempo relativo de las señales de un mínimo de cuatro, pero generalmente más, satélites GPS, cada uno de los cuales tiene al menos dos relojes atómicos de cesio a bordo y hasta dos relojes atómicos de rubidio. Los tiempos relativos se transforman matemáticamente en tres coordenadas espaciales absolutas y una coordenada de tiempo absoluta. [90] La hora del GPS (GPST) es una escala de tiempo continua y, teóricamente, tiene una precisión de aproximadamente 14 ns . [91] Sin embargo, la mayoría de los receptores pierden precisión en la interpretación de las señales y solo tienen una precisión de 100 ns. [92] [93]El GPST está relacionado pero difiere de TAI (Tiempo Atómico Internacional) y UTC (Tiempo Universal Coordinado). El GPST permanece en un desplazamiento constante con TAI (TAI - GPST = 19 segundos) y, al igual que TAI, no implementa los segundos intercalares. Se realizan correcciones periódicas a los relojes de a bordo de los satélites para mantenerlos sincronizados con los relojes de tierra. [94] [95] El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre GPST y UTC. En julio de 2015, el GPST está 17 segundos por delante de UTC debido al segundo intercalar agregado a UTC el 30 de junio de 2015. [96] [97] Los receptores restan este desfase de la hora del GPS para calcular los valores de UTC y de zona horaria específica.

El Sistema Satelital de Navegación Global (GLONASS) operado por las Fuerzas de Defensa Aeroespacial de Rusia proporciona una alternativa al sistema de Posicionamiento Global (GPS) y es el segundo sistema de navegación en funcionamiento con cobertura global y de precisión comparable. El tiempo GLONASS (GLONASST) es generado por el sincronizador central GLONASS y normalmente es mejor que 1000 ns. [98] A diferencia del GPS, la escala de tiempo GLONASS implementa segundos intercalares, como UTC. [99]

Space Passive Hydrogen Maser utilizado en los satélites Galileo de la ESA como reloj maestro para un sistema de cronometraje a bordo

El sistema de navegación por satélite global Galileo es operado por la Agencia GNSS Europea y la Agencia Espacial Europea y está cerca de lograr una cobertura global operativa completa. Galileo comenzó a ofrecer capacidad operativa temprana (EOC) global el 15 de diciembre de 2016, proporcionando el tercer y primer sistema global de navegación por satélite de operación no militar, y se espera que alcance la capacidad operativa completa (FOC) en 2019. [100] [101]Para lograr el objetivo de la constelación de cobertura FOC de Galileo, es necesario agregar 6 satélites adicionales planificados. El tiempo del sistema Galileo (GST) es una escala de tiempo continua que se genera en el suelo en el Centro de control de Galileo en Fucino, Italia, por la instalación de sincronización precisa, basada en promedios de diferentes relojes atómicos y mantenida por el segmento central de Galileo y sincronizada con TAI con un desplazamiento nominal por debajo de 50 ns. [102] [103] [104] [101] Según la Agencia Europea de GNSS, Galileo ofrece una precisión de tiempo de 30 ns. [105]El Informe de rendimiento trimestral de marzo de 2018 del Centro de servicios GNSS europeo informó que la precisión del servicio de difusión de la hora UTC fue ≤ 7,6 ns, calculada mediante la acumulación de muestras durante los 12 meses anteriores y superando el objetivo de ≤ 30 ns. [106] [107] Cada satélite Galileo tiene dos relojes másers pasivos de hidrógeno y dos relojes atómicos de rubidio para cronometraje a bordo. [108] [109] El mensaje de navegación de Galileo incluye las diferencias entre GST, UTC y GPST (para promover la interoperabilidad). [110] [111]

El sistema de navegación por satélite BeiDou-2 / BeiDou-3 es operado por la Administración Nacional del Espacio de China . La hora BeiDou (BDT) es una escala de tiempo continua que comienza el 1 de enero de 2006 a las 0:00:00 UTC y se sincroniza con UTC dentro de 100 ns. [112] [113] BeiDou comenzó a funcionar en China en diciembre de 2011, con 10 satélites en uso, [114] y comenzó a ofrecer servicios a clientes en la región de Asia y el Pacífico en diciembre de 2012. [115] El 27 de diciembre de 2018, BeiDou Navigation Satellite System comenzó a proporcionar servicios globales con una precisión de tiempo de 20 ns. [116]El 35º y último satélite BeiDou-3 para cobertura mundial se puso en órbita el 23 de junio de 2020. [117]

Transmisores de radio de señal horaria [ editar ]

Un reloj de radio es un reloj que se sincroniza automáticamente por medio de señales de tiempo de radio del gobierno recibidas por un receptor de radio . Muchos minoristas comercializan relojes de radio de forma inexacta como relojes atómicos; [118] aunque las señales de radio que reciben se originan en relojes atómicos, no son relojes atómicos en sí mismos. Los receptores normales de bajo costo para el consumidor se basan únicamente en las señales de tiempo moduladas en amplitud y utilizan receptores de banda estrecha (con un ancho de banda de 10 Hz) con pequeñas antenas de bucle de ferrita .y circuitos con retardo de procesamiento de señal digital no óptimo y, por lo tanto, solo se puede esperar que determinen el comienzo de un segundo con una incertidumbre de precisión práctica de ± 0,1 segundos. Esto es suficiente para relojes de bajo costo controlados por radio y relojes de calidad para el consumidor que usan relojes de cuarzo de calidad estándar para el cronometraje entre los intentos de sincronización diarios, ya que serán más precisos inmediatamente después de una sincronización exitosa y serán menos precisos desde ese punto en adelante hasta la próxima sincronización. . [118] Los receptores de tiempo de grado instrumental proporcionan una mayor precisión. Dichos dispositivos incurren en un retraso de tránsito de aproximadamente 1 ms por cada 300 kilómetros (186 millas) de distancia del transmisor de radio.. Muchos gobiernos operan transmisores con fines de cronometraje.

Los receptores de grado de consumidor típicos usan una varilla de ferrita y compensación de temperatura para garantizar la estabilidad en el tiempo, generalmente se elige un capacitor con dieléctrico igual y opuesto (es decir, NTC) y acoplado térmicamente a la varilla de ferrita para que los cambios de temperatura no afecten la frecuencia de resonancia. El front-end es normalmente una variante del MK484 o IC7642 con un circuito digital que lo enciende periódicamente para capturar la señal horaria y asegurar una larga duración de la batería. En algunos casos en los que hay una gran interferencia, apuntar el centro de la bobina al rumbo de la brújula para Anthorn o MSF dará mejores resultados, al igual que alejar el reloj de medidores inteligentes y objetos metálicos.

Ver también [ editar ]

  • Fuente atómica
  • Atomicrón
  • Desviación del reloj
  • Estándar de frecuencia
  • Hora atómica internacional
  • Lista de relojes atómicos
  • Trampa magneto-óptica
  • Reloj atómico del espacio profundo
  • Protocolo de tiempo de red
  • NIST-F1
  • Reloj nuclear
  • Reloj de referencia atómico primario en el espacio
  • Reloj Pulsar
  • Reloj cuántico
  • Reloj parlante
  • Metrología de tiempo
  • Transferencia de tiempo

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Consejo Nacional de Investigación de Canadá, Preguntas frecuentes : "¿Qué es un 'reloj atómico de cesio'?"
  • Consejo Nacional de Investigación de Canadá, contenido archivado: estándar de frecuencia óptica basado en un solo ión atrapado
  • Departamento de Servicio de Tiempo del Observatorio Naval de los Estados Unidos
  • PTB Braunschweig, Alemania - con enlace en idioma inglés
  • Sitio web de la hora del Laboratorio Nacional de Física (Reino Unido)
  • NIST Internet Time Service (ITS): configure el reloj de su computadora a través de Internet
  • Comunicado de prensa del NIST sobre el reloj atómico a escala de chip
  • Sitio web del NIST
  • Páginas web sobre relojes atómicos por The Science Museum (Londres)
  • Reloj atómico óptico BBC, 2005
  • Reloj de celosía óptica ; Revista de la Sociedad de Física de Japón
  • La fuente atómica
  • Consejo Nacional de Investigación de Canadá, contenido de archivo: Optical Frequency Comb - The Measurement of Optical Frequencies