¿Qué podría ser mejor que un reloj atómico líder en el mundo? Dos relojes en uno.

Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han combinado dos relojes atómicos experimentales basados ​​en átomos de iterbio para establecer otro récord mundial de estabilidad del reloj. La estabilidad se puede considerar como la precisión con la que la duración de cada tic del reloj coincide con todos los demás que vienen antes y después.

Esta extraordinaria estabilidad hace que el reloj de celosía de iterbio sea una herramienta más poderosa para pruebas de precisión como si las "constantes fundamentales" de la naturaleza son realmente constantes, y busca la elusiva materia oscura que supuestamente constituye gran parte del universo. El experimento que demuestra el diseño de doble reloj se informa en Fotónica de la naturaleza .

"Eliminamos un tipo crítico de ruido en el funcionamiento del reloj, haciendo que la señal del reloj sea más fuerte, "El físico del NIST Andrew Ludlow dijo." Esto significa que podemos alcanzar una inestabilidad de reloj de 1,5 partes en un quintillón (1 seguido de 18 ceros) en sólo unos pocos miles de segundos. Si bien esto solo supera ligeramente el nivel récord de estabilidad del reloj que demostramos hace unos años, llegamos 10 veces más rápido ".

Los relojes atómicos del NIST funcionan habitualmente a niveles muy altos, pero los científicos los modifican continuamente para reducir pequeñas imperfecciones. El nuevo diseño de doble reloj elimina una distorsión pequeña pero significativa en la frecuencia del láser que sondea y se sincroniza con los átomos. Cuanto más estable sea el reloj, cuanto mejor sea su poder de medición.

El nuevo 'reloj doble' de celosía de iterbio es el reloj más estable del mundo, aunque otro reloj atómico NIST, basado en estroncio y ubicado en JILA, tiene el récord mundial de precisión. La precisión se refiere a qué tan cerca se sintoniza el reloj con la frecuencia natural a la que los átomos oscilan entre dos niveles de energía electrónica.

Tanto el reloj de iterbio como el de estroncio marcan en frecuencias ópticas, mucho más altas que las frecuencias de microondas de los relojes atómicos de cesio utilizados como patrones de tiempo. Un reloj atómico óptico funciona ajustando la frecuencia de un láser para que resuene con la frecuencia de la transición de los átomos entre dos estados de energía. Este tic-tac atómico se transfiere al láser para su uso como herramienta de cronometraje. Cualquier ruido o incertidumbre que afecte a este proceso perturba la frecuencia del láser y, por lo tanto, la precisión del cronometraje.

Los relojes atómicos ópticos suelen alternar el sondeo láser de los átomos con períodos de "tiempo muerto" durante los cuales se preparan y miden los átomos. Durante tiempos muertos, ciertas fluctuaciones de la frecuencia del láser no se observan o compensan correctamente en el proceso de ajuste del láser. Los efectos de ruido resultantes (observados por primera vez en la década de 1990 por G.J. Dick, luego del Instituto de Tecnología de California) tiene, hasta ahora, estabilidad y precisión limitadas del reloj.

El nuevo diseño de reloj doble de NIST tiene cero tiempo muerto y es, por lo tanto, apodado el reloj ZDT, y prácticamente sin ruido de tiempo muerto, porque sondea los átomos continuamente cambiando de un conjunto atómico al otro. Los dos conjuntos de 5, 000 y 10, 000 átomos de iterbio, respectivamente, están atrapados en una cuadrícula de luz láser llamada red óptica y sondeados por un láser compartido.

Las mediciones de las respuestas de los dos conjuntos de átomos se combinan para producir una sola, Corrección combinada a la frecuencia del láser. Estas mediciones y correcciones se realizan dos veces más rápido que en un solo reloj. Porque no hay ruido de tiempo muerto, el nuevo reloj alcanza niveles récord de estabilidad 10 veces más rápido que antes. Crucialmente, el rendimiento ahora está limitado por el sistema atómico del reloj en lugar del láser, un objetivo largamente buscado en física que Ludlow llama un "sueño" para aplicaciones futuras.

Este enfoque puede, en última instancia, reducir el tamaño y la complejidad del reloj atómico, por lo que el aparato podría hacerse lo suficientemente portátil para usarlo fuera del laboratorio. El paquete físico es actualmente más grande que un solo reloj, pero eventualmente ambos sistemas atómicos podrían compartir un solo aparato de vacío y sistemas láser más simples, reduciendo así el tamaño total, Dijo Ludlow. Los relojes atómicos ópticos portátiles podrían distribuirse por todo el mundo para la geodesia relativista (mediciones de la forma de la Tierra basadas en la gravedad) o transportarse en naves espaciales para pruebas de relatividad general.