Los investigadores han medido el tictac de un reloj óptico con una precisión récord al tiempo que muestran que el reloj puede funcionar con una consistencia sin precedentes. Estos logros representan un paso significativo para demostrar que la nueva generación de relojes atómicos ópticos es lo suficientemente precisa y robusta como para ser utilizadapara redefinir la duración oficial de un segundo, que actualmente se basa en relojes atómicos de microondas.
"Una definición más precisa de un segundo y una mejor infraestructura de cronometraje respaldaría los continuos avances en los sistemas de temporización utilizados en una amplia gama de aplicaciones, incluidos los sistemas de comunicación y navegación", dijo Andrew Ludlow, uno de los líderes del equipo de investigacióndel Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, EE. UU. "También proporcionaría mediciones más precisas para explorar fenómenos físicos que aún no se comprenden completamente".
La nueva investigación se informa en óptica , la revista de la Sociedad Óptica para la investigación de alto impacto.
"Es probable que los relojes ópticos sean capaces de una precisión mucho mayor, probablemente de 10 a 100 veces mejor que lo que medimos en este trabajo", dijo Ludlow. "Para probar la verdadera precisión de estos relojes sin estar limitados por la definición actual de una segunda voluntadrequieren comparaciones de alta calidad directamente entre varios tipos de relojes ópticos "
¿Por qué usar un reloj óptico?
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 espectro electromagnéticoDesde 1967, el Sistema Internacional de Unidades SI ha definido un segundo como el tiempo que transcurre durante 9,192,631,770 ciclos de la señal de microondas producida por estas oscilaciones.
Los relojes atómicos ópticos utilizan átomos como el iterbio y el estroncio 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 permiten que los relojes ópticos funcionen más rápido que los relojes atómicos de microondas, lo que hace queellos más precisos y estables en el tiempo.
"Las frecuencias más altas medidas por los relojes ópticos generalmente hacen que sea más fácil controlar las influencias ambientales en los átomos", dijo Tara Fortier, miembro del equipo de investigación. "Esta ventaja podría eventualmente permitir el desarrollo de sistemas compactos de reloj óptico que se mantengan relativamentealto rendimiento en una amplia gama de entornos de aplicación "
Lograr precisión de registro
Para mostrar que el tiempo mantenido con un reloj óptico es compatible con los relojes atómicos de cesio estándar actuales, los investigadores convirtieron la frecuencia de un reloj atómico óptico de iterbio en NIST a la región de microondas y la compararon con una colección de mediciones de relojes atómicos de cesio ubicadosa traves del globo.
Lograron mediciones de frecuencia del reloj óptico de iterbio con una incertidumbre de 2.1 X 10-16. Esto corresponde a perder solo unos 100 segundos sobre la edad del universo 14 mil millones de años y establece un nuevo registro de precisión para referencia de cesiomediciones de un reloj óptico.
Aunque los relojes ópticos son muy precisos, tienden a experimentar tiempos de inactividad significativos debido a su complejidad técnica y diseño de prototipo. Los investigadores del NIST utilizaron un grupo de ocho masers de hidrógeno para mantener la hora en que el reloj óptico no estaba operativo., que son como láseres que funcionan en el rango espectral de microondas, pueden mantener el tiempo de manera confiable pero tienen una precisión limitada.
"La estabilidad de los masers, una de las mejores escalas de tiempo local en el mundo, es una de las razones por las que pudimos realizar una comparación tan precisa con el cesio", dijo Tom Parker, miembro del equipo de investigación.Redujeron aún más la incertidumbre al realizar 79 mediciones durante 8 meses. Esta es la primera vez que se informan mediciones de reloj óptico durante un período de tiempo tan largo.
Para comprender mejor los límites de los relojes ópticos, los investigadores planean comparar el reloj óptico de iterbio utilizado en este estudio con otros tipos de relojes ópticos en desarrollo en el NIST. Eventualmente, los relojes NIST podrían compararse con los relojes ópticos en otros países paradetermine qué tipos de relojes serían los mejores para redefinir el SI en segundo lugar.
Los investigadores señalan que la redefinición de la duración de un segundo todavía está a unos años de distancia. Incluso si cambia, la aplicación del nuevo estándar requeriría una tecnología que conecte y transmita mejor las señales de los relojes ópticos de todo el mundo de una manera que mantenga la estabilidady la precisión del tiempo.
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Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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