la navegación basada en GPS, los sistemas de comunicación, las redes de energía eléctrica y las redes financieras dependen del tiempo preciso que mantiene una red de alrededor de 500 relojes atómicos ubicados en todo el mundo.
en el diario óptica los investigadores presentan una forma de usar relojes ópticos para un cronometraje más preciso de lo que es posible con el sistema actual de relojes atómicos tradicionales. Los investigadores también midieron la frecuencia de un reloj óptico, análogo a su "tictac", con una precisión sin precedentes.
Un sistema de cronometraje global más preciso permitiría a las redes financieras usar marcas de tiempo más precisas y, por lo tanto, manejar aún más transacciones en períodos de tiempo más cortos. También permitiría que el GPS y otros sistemas de navegación basados en satélites brinden información de ubicación aún más precisa.
Aunque los relojes ópticos han sido más precisos que los relojes de microondas durante algún tiempo, su complejidad y los largos tiempos de inactividad resultantes han hecho que sea poco práctico usarlos para la hora mundial.
"Mostramos que incluso con los tiempos de inactividad de los relojes ópticos de hoy en día, aún pueden mejorar el cronometraje", dijo Christian Grebing, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, Instituto Nacional de Metrología de Alemania, que es miembro del equipo de investigación."Logramos un mejor rendimiento en comparación con los mejores relojes fuente de microondas que generalmente se han considerado menos confiables y, por lo tanto, menos adecuados para la implementación real de una escala de tiempo práctica".
¿Cuánto dura un segundo?
Los relojes funcionan contando un evento recurrente con una frecuencia conocida, como la oscilación de un péndulo. Para los relojes atómicos tradicionales, el evento recurrente es la oscilación natural del átomo de cesio, que tiene una frecuencia en la región de microondas del electromagnéticoespectro. Desde 1967, el Sistema Internacional de Unidades SI ha definido el segundo como el tiempo que transcurre durante 9,192,631,770 ciclos de la señal de microondas producida por estas oscilaciones.
Los relojes atómicos son extremadamente precisos porque se basan en vibraciones atómicas naturales y universales. Sin embargo, incluso los mejores relojes atómicos de microondas aún pueden acumular un error de aproximadamente 1 nanosegundo durante un mes.
Los relojes ópticos funcionan de manera similar a los relojes de microondas pero usan átomos o iones que oscilan aproximadamente 100,000 veces más que las frecuencias de microondas, en la parte óptica o visible del espectro electromagnético. Estas frecuencias más altas significan que los relojes ópticos "marcan""más rápido que los relojes atómicos de microondas, y esto contribuye a su mayor precisión y estabilidad en el tiempo. Sin embargo, los relojes ópticos experimentan tiempos de inactividad significativos debido a su mayor complejidad técnica.
Hacer prácticos los relojes ópticos
Para hacer frente a los tiempos de inactividad que afectan a los relojes ópticos actuales, los investigadores combinaron un maser disponible comercialmente con un reloj de celosía óptica de estroncio en PTB, el instituto nacional de metrología de Alemania. El maser, que es como un láser, excepto que funciona en el espectro de microondasrango, puede usarse como un tipo de péndulo confiable con precisión limitada para salvar el tiempo de inactividad del reloj óptico. Los investigadores abarcaron la gran brecha espectral entre la frecuencia óptica del reloj óptico y la frecuencia de microondas del maser con un peine de frecuencia óptica, que divide efectivamentelos "ticks" más lentos basados en microondas para que coincidan con los "ticks" más rápidos del reloj óptico
"Comparamos el maser en funcionamiento continuo con nuestro reloj óptico y corregimos la frecuencia del maser siempre y cuando tuviéramos datos disponibles del reloj óptico", dijo Grebing. "Durante los tiempos de inactividad del reloj óptico, el maser funciona de manera estable".
Los investigadores operaron el reloj óptico y el máser durante 25 días, durante los cuales el reloj óptico funcionó aproximadamente el 50 por ciento del tiempo. Incluso con tiempos de inactividad del reloj óptico que van de minutos a dos días, los investigadores calcularon un error de tiempo de menos de 0,20 nanosegundosdurante los 25 días.
Redefiniendo el segundo
Redefinir un segundo basado en relojes ópticos no solo requiere asegurarse de que los relojes ópticos sean prácticos, sino que también requiere comparar su frecuencia, o "marcar", con la definición anterior del segundo SI. Para hacer esto, los investigadores compararonsu reloj óptico de estroncio con dos relojes de microondas en PTB. La incorporación del maser mejoró fuertemente la incertidumbre estadística de estas mediciones, permitiendo a los investigadores medir la frecuencia absoluta de las oscilaciones de estroncio del reloj óptico con la incertidumbre más baja jamás obtenida. La incertidumbre relativa obtenida de aproximadamente2.5 × 10-16 corresponde a perder solo 100 segundos sobre la edad del universo, aproximadamente 14 mil millones de años.
"Nuestro estudio es un hito en términos de implementación práctica de relojes ópticos", dijo Grebing. "El mensaje es que hoy podríamos implementar estos relojes ópticos en la infraestructura de cronometraje que tenemos ahora, y ganaríamos".
Aunque los relojes ópticos mantienen el tiempo cien veces mejor que los relojes atómicos, Grebing dijo que cree que una verdadera redefinición de un segundo aún podría estar a una década de distancia. Tiene sentido retrasar la redefinición del segundo SI hasta que esté clarocuál de los varios tipos de reloj óptico disponibles es el mejor para el cronometraje global. Además, con el ritmo muy rápido al que está mejorando la tecnología del reloj óptico, el límite de precisión de estos relojes aún no se conoce completamente
"Queremos mejorar la infraestructura de cronometraje en todo el mundo construyendo relojes cada vez mejores e integrándolos en la infraestructura de cronometraje", dijo Grebing. "Lo que demostramos es un primer paso hacia una mejora global del cronometraje".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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