Los físicos y colaboradores de JILA han demostrado la primera "escala de tiempo" de próxima generación, un sistema que incorpora datos de múltiples relojes atómicos para producir una única señal de cronometraje de alta precisión para su distribución. La escala de tiempo de JILA supera a los mejores centros existentes para difundir la hora oficial en todo el mundo y ofrece la posibilidad de proporcionar una hora más precisa a millones de clientes, como los mercados financieros y las redes informáticas y telefónicas.

La novedosa arquitectura de escala de tiempo combina una reloj atómico avanzado con un dispositivo ultraestable para almacenar señales de tiempo y es un "modelo para la actualización de escalas de tiempo en todo el mundo, "como se describe en la revista Cartas de revisión física .

JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

"Creo que esta nueva demostración de escala de tiempo será muy importante para la redefinición del tiempo en el futuro, "dijo Jun Ye, Miembro del NIST / JILA y líder del proyecto.

La reciente redefinición del Sistema Internacional de Unidades (SI) no actualizó la forma en que se mide el tiempo. La unidad estándar de tiempo, el segundo, se ha basado en las propiedades del átomo de cesio desde 1967. En los próximos años, Se espera que la comunidad científica internacional redefina el segundo, seleccionar un nuevo átomo como base para los relojes atómicos estándar y el cronometraje oficial.

Para prepararse para este cambio, los investigadores necesitan actualizar los sistemas para distribuir el tiempo.

NIST opera las escalas de tiempo civiles de la nación, matrices de máseres de hidrógeno (versiones de microondas de láseres) que proporcionan señales oscilantes fiables para mantener un "tictac" estable para la hora del día civil oficial de EE. UU. que está vinculado a la hora internacional (hora universal coordinada o UTC). Dos relojes atómicos basados ​​en el estándar de cesio, llamados NIST-F1 y NIST-F2, se utilizan para calibrar y garantizar la precisión de las escalas de tiempo.

Como relojes atómicos de próxima generación, La escala de tiempo experimental de JILA opera completamente en frecuencias ópticas, que son mucho más altas que las frecuencias de microondas de los estándares de tiempo de cesio. Las frecuencias ópticas dividen el tiempo en unidades más pequeñas y, por lo tanto, pueden ofrecer una mayor precisión.

Los esfuerzos para incorporar los últimos relojes atómicos ópticos en escalas de tiempo de microondas más antiguas se han topado con límites en la estabilidad a largo plazo. debido a las propiedades inherentes de los máseres y las fluctuaciones asociadas con vincularlos a relojes experimentales que operan de manera intermitente.

El equipo de JILA resolvió estos problemas optimizando un tipo de oscilador más estable y controlando estrictamente las condiciones de funcionamiento, como la temperatura, para que su reloj de celosía de estroncio altamente estable y preciso se pueda operar regularmente bajo demanda.

El oscilador está formado por un rayo láser dirigido a una cavidad hueca hecha de un solo cristal de silicio, dentro de la cual luz láser de un color específico, o frecuencia, rebota de un lado a otro con regularidad durante mucho tiempo, como un metrónomo. Estos dispositivos han existido durante años, sino una colaboración a largo plazo de JILA con Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el instituto nacional de metrología alemán, se le ocurrió una nueva forma de construirlos, mejorando enormemente la estabilidad de la luz. Recientemente, el equipo de JILA impulsó aún más la estabilidad a largo plazo de su cavidad, que mide 21 centímetros de largo y funciona a temperaturas criogénicas de 124 K (menos 149,15 C), mediante el uso de ópticas superpulidas y un mejor control del calor, entre otros ajustes.

En la escala de tiempo de JILA, un peine de frecuencia óptica (una regla para la luz) transfiere la señal óptica estable de esta cavidad a otra, Láser muy estable que ilumina los átomos del reloj y sincroniza la frecuencia de la luz con su tictac. Dos láseres adicionales se estabilizan en cavidades independientes. Los múltiples láseres y cavidades proporcionan redundancia en caso de que algo no funcione correctamente.

La estabilidad del oscilador se comparó continuamente con la de la escala de tiempo de microondas del NIST mediante un enlace de fibra óptica subterráneo preexistente entre JILA, en el campus de la universidad, y NIST, una milla más o menos. Más de un mes de mediciones, la estabilidad de frecuencia del oscilador óptico superó consistentemente a la de los máseres en la escala de tiempo de microondas.

Los resultados experimentales muestran que la arquitectura de escala de tiempo de JILA supera a las escalas de tiempo de microondas, incluso cuando los máseres están calibrados por relojes atómicos de próxima generación. El análisis del equipo indica que al ejecutar el reloj óptico JILA el 50% del tiempo, la escala de tiempo totalmente óptica podría alcanzar un nivel de estabilidad aproximadamente 10 veces mejor que la escala de tiempo estándar de microondas, o 1 × 10 ^-17 , después de unos meses de promediar.

Otra ventaja práctica es que la frecuencia del oscilador se puede predecir utilizando técnicas de análisis de microondas convencionales. permitiendo al equipo estimar un error de tiempo de solo 48 ± 94 picosegundos (billonésimas de segundo) después de 34 días de operación.

Se planean actualizaciones técnicas adicionales, incluida la automatización que debería permitir que el reloj funcione más del 50% del tiempo. Los investigadores también planean incorporar la señal de escala de tiempo óptica en la escala de tiempo del NIST utilizando la red de fibra subterránea.