Los relojes atómicos experimentales del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han logrado tres nuevos récords de rendimiento, ahora marcando con la precisión suficiente para no solo mejorar el cronometraje y la navegación, pero también detecta señales débiles de la gravedad, el universo primitivo y quizás incluso la materia oscura.

Cada uno de los relojes atrapa mil átomos de iterbio en redes ópticas, rejillas hechas de rayos láser. Los átomos se mueven vibrando o cambiando entre dos niveles de energía. Comparando dos relojes independientes, Los físicos del NIST lograron un rendimiento récord en tres medidas importantes:incertidumbre sistemática, estabilidad y reproducibilidad.

Publicado en línea el 28 de noviembre en la revista Naturaleza , los nuevos registros de reloj NIST son:

• Incertidumbre sistemática:qué tan bien representa el reloj las vibraciones naturales, o frecuencia, de los átomos. Los investigadores del NIST encontraron que cada reloj marcaba a una velocidad que coincidía con la frecuencia natural dentro de un posible error de solo 1.4 partes en 10 ¹⁸ —Aproximadamente una mil millonésima parte de una mil millonésima.
• Estabilidad:cuánto cambia la frecuencia del reloj durante un intervalo de tiempo específico, medido a un nivel de 3,2 partes en 10 ¹⁹ (o 0,00000000000000000032) durante un día.
• Reproducibilidad:qué tan cerca marcan los dos relojes a la misma frecuencia, mostrado por 10 comparaciones del par de relojes, produciendo una diferencia de frecuencia por debajo de los 10 ^-18 nivel (de nuevo, menos de una mil millonésima parte de una mil millonésima).

"Incertidumbre sistemática, estabilidad, y la reproducibilidad puede considerarse la 'escalera real' del rendimiento de estos relojes, ", dijo el líder del proyecto Andrew Ludlow." El acuerdo de los dos relojes a este nivel sin precedentes, que llamamos reproducibilidad, es quizás el resultado más importante, porque esencialmente requiere y fundamenta los otros dos resultados ".

"Esto es especialmente cierto porque la reproducibilidad demostrada muestra que el error total de los relojes cae por debajo de nuestra capacidad general para explicar el efecto de la gravedad en el tiempo aquí en la Tierra. Por lo tanto, a medida que imaginamos relojes como estos que se utilizan en todo el país o en el mundo, su desempeño relativo sería, por primera vez, limitado por los efectos gravitacionales de la Tierra ".

La teoría de la relatividad de Einstein predice que el tic-tac de un reloj atómico, es decir, la frecuencia de las vibraciones de los átomos, se reduce (desplazado hacia el extremo rojo del espectro electromagnético) cuando se opera con una gravedad más fuerte. Es decir, el tiempo pasa más lentamente en elevaciones más bajas.

Si bien estos denominados corrimientos al rojo degradan el cronometraje de un reloj, esta misma sensibilidad se puede girar sobre su cabeza para medir exquisitamente la gravedad. Los relojes súper sensibles pueden mapear la distorsión gravitacional del espacio-tiempo con mayor precisión que nunca. Las aplicaciones incluyen geodesia relativista, que mide la forma gravitacional de la Tierra, y detectar señales del universo temprano, como ondas gravitacionales y quizás incluso "materia oscura" aún inexplicable.

Los relojes de iterbio del NIST ahora superan la capacidad convencional para medir el geoide, o la forma de la Tierra basada en estudios de mareógrafos del nivel del mar. Las comparaciones de dichos relojes ubicados muy alejados, como en diferentes continentes, podrían resolver las mediciones geodésicas con una precisión de 1 centímetro, mejor que el actual estado de la técnica de varios centímetros.

En la última década de nuevos récords de rendimiento del reloj anunciados por el NIST y otros laboratorios de todo el mundo, este último artículo muestra la reproducibilidad a un alto nivel, dicen los investigadores. Es más, la comparación de dos relojes es el método tradicional de evaluar el desempeño.

Entre las mejoras en los últimos relojes de iterbio del NIST se encontraba la inclusión de blindaje térmico y eléctrico, que rodean a los átomos para protegerlos de los campos eléctricos dispersos y permitir a los investigadores caracterizar y corregir mejor los cambios de frecuencia causados ​​por la radiación térmica.

El átomo de iterbio se encuentra entre los candidatos potenciales para la futura redefinición del segundo —la unidad internacional de tiempo— en términos de frecuencias ópticas. Los nuevos registros de reloj de NIST cumplen con uno de los requisitos de la hoja de ruta de redefinición internacional, una mejora de 100 veces en la precisión validada sobre los mejores relojes basados ​​en el estándar actual, el átomo de cesio, que vibra a frecuencias de microondas más bajas.

NIST está construyendo un reloj de celosía de iterbio portátil con un rendimiento de vanguardia que podría transportarse a otros laboratorios de todo el mundo para realizar comparaciones de relojes y a otras ubicaciones para explorar técnicas de geodesia relativista.