Los investigadores han medido el tic-tac de un reloj óptico con una precisión récord y, al mismo tiempo, han demostrado que el reloj se puede operar con una consistencia sin precedentes. Estos logros representan un paso significativo hacia la demostración de que la nueva generación de relojes atómicos ópticos son lo suficientemente precisos y robustos como para ser utilizados para 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 respaldarían los avances continuos en los sistemas de cronometraje utilizados en una amplia gama de aplicaciones, incluidos los sistemas de comunicación y navegación, "dijo Andrew Ludlow, uno de los líderes del equipo de investigación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), ESTADOS UNIDOS. "También proporcionaría mediciones más precisas para explorar fenómenos físicos que aún no se comprenden completamente".

La nueva investigación se informa en Optica .

"Es probable que los relojes ópticos tengan 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 limitado por la definición actual de un segundo, será necesario realizar comparaciones de alta calidad directamente entre varios tipos de relojes ópticos ".

¿Por qué utilizar un reloj óptico?

Los relojes funcionan contando un evento recurrente con una frecuencia conocida, como el balanceo 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 electromagnético. Desde 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 alrededor de 100, 000 veces mayor que las frecuencias de microondas, en la óptica, o visible, parte del espectro electromagnético. Estas frecuencias más altas permiten que los relojes ópticos marquen más rápido que los relojes atómicos de microondas, haciéndolos más precisos y estables en el tiempo.

"Las frecuencias más altas medidas por los relojes ópticos generalmente facilitan el control de las influencias ambientales en los átomos, "dijo Tara Fortier, miembro del equipo de investigación. "Esta ventaja podría eventualmente permitir el desarrollo de sistemas de reloj óptico compactos que mantengan un rendimiento relativamente alto en una amplia gama de entornos de aplicación".

Lograr la precisión de los registros

Para demostrar que el tiempo que se mantiene con un reloj óptico es compatible con los relojes atómicos de cesio estándar de hoy en día, los investigadores convirtieron la frecuencia de un reloj atómico óptico de iterbio en el NIST a la región de microondas y la compararon con una colección de mediciones de relojes atómicos de cesio ubicados en todo el mundo.

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 récord de precisión para las mediciones de un reloj óptico con referencia al cesio.

Aunque los relojes ópticos son muy precisos, tienden a experimentar tiempos de inactividad significativos debido a su complejidad técnica y al diseño del prototipo. Los investigadores del NIST utilizaron un grupo de ocho máseres de hidrógeno para mantener el tiempo cuando el reloj óptico no estaba operativo. Maestros, que son como láseres que operan en el rango espectral de microondas, Puede mantener el tiempo de manera confiable pero tiene una precisión limitada.

"La estabilidad de los máseres, una de las mejores escalas de tiempo local del 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. Finalmente, los relojes NIST podrían compararse con los relojes ópticos de otros países para determinar qué tipos de relojes serían los mejores para redefinir el segundo SI.

Los investigadores señalan que todavía faltan algunos años para redefinir la duración de un segundo. 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 estabilidad y la precisión del tiempo.