En un avance significativo hacia la futura redefinición de la unidad de tiempo internacional, el segundo, un equipo de investigación dirigido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha comparado tres de los relojes atómicos líderes en el mundo con una precisión récord tanto en enlaces de aire como de fibra óptica.

Descrito en la edición del 25 de marzo de Naturaleza , el trabajo dirigido por NIST es el primero en comparar tres relojes, basado en diferentes átomos, y el primero en vincular los relojes atómicos más avanzados en diferentes ubicaciones por aire. Estas comparaciones de reloj atómico colocan a la comunidad científica un paso más cerca de cumplir con las pautas para la redefinición del segundo.

"Estas comparaciones realmente definen el estado del arte tanto para las mediciones basadas en fibra como en el espacio libre; todas son cerca de 10 veces más precisas que cualquier comparación de reloj con diferentes átomos realizada hasta ahora, ", Dijo el físico del NIST David Hume.

Las nuevas mediciones fueron un desafío porque los tres tipos de átomos involucrados "tictac" en frecuencias muy diferentes, porque todos los componentes de la red tenían que funcionar con extrema precisión, y porque el enlace inalámbrico requería tecnología y diseño láser de vanguardia.

El estudio comparó el reloj de iones de aluminio y el reloj de celosía de iterbio, ubicados en diferentes laboratorios en NIST Boulder, con el reloj de celosía de estroncio ubicado a 1,5 kilómetros en JILA, un instituto conjunto de NIST y la Universidad de Colorado Boulder. Las mediciones del equipo eran tan precisas que las incertidumbres eran solo de 6 a 8 partes en 10 ¹⁸ -es decir, los errores nunca excedieron 0.000000000000000008, tanto para enlaces inalámbricos como de fibra.

Los investigadores del NIST describieron previamente cómo transfirieron señales de tiempo a través del enlace aéreo entre dos de los relojes, los relojes NIST de iterbio y estroncio JILA, y descubrió que el proceso funcionó tan bien como el método basado en fibra y 1, 000 veces más precisa que los esquemas de transferencia inalámbrica convencionales. Este trabajo muestra cómo se pueden sincronizar los mejores relojes atómicos en sitios remotos de la Tierra y, a medida que las señales de tiempo se transfieren a distancias más largas, incluso entre naves espaciales.

La clave del enlace aéreo fue el uso de peines de frecuencia óptica, que permiten comparaciones precisas de frecuencias muy diferentes. Los investigadores del NIST desarrollaron métodos de transferencia bidireccional para comparar con precisión relojes ópticos en el aire, incluso en condiciones de turbulencia atmosférica y vibraciones de laboratorio. La técnica de transferencia de señal basada en peine se había demostrado anteriormente, pero el último trabajo fue el primero en comparar relojes atómicos de última generación.

Desde 1967 el segundo se ha definido en base al átomo de cesio, que hace tictac a una frecuencia de microondas. Los relojes atómicos utilizados en las nuevas comparaciones marcan a frecuencias ópticas mucho más altas, que dividen el tiempo en unidades más pequeñas y, por lo tanto, ofrecen una mayor precisión. Las comparaciones son cruciales para la selección por parte de la comunidad internacional de uno o más átomos como estándar para la próxima vez.

Los nuevos resultados del NIST informados en Naturaleza también estableció otros récords importantes. La frecuencia es la cantidad única medida con mayor precisión en la ciencia. El equipo de NIST midió las relaciones de frecuencia, las relaciones cuantitativas entre las frecuencias de los átomos medidas en tres pares (iterbio-estroncio, iterbio-aluminio, aluminio-estroncio). Los resultados son las tres mediciones más precisas jamás realizadas de constantes naturales. Las relaciones de frecuencia se consideran constantes y se utilizan en algunos estándares internacionales y pruebas de teorías de la física fundamental.

Las relaciones de frecuencia ofrecen una ventaja importante como métrica para evaluar relojes atómicos ópticos. Una medición directa de la frecuencia de un reloj óptico en las unidades habituales de Hertz está limitada por la precisión del estándar internacional actual, el reloj de microondas de cesio. Las relaciones de frecuencia superan esta limitación porque no se expresan en unidades.

Las relaciones de frecuencia se miden generalmente a largas distancias mediante el uso de redes de fibra. que son pocos y distantes entre sí, o en algunos casos con datos de microondas transferidos a través de enlaces satelitales, que tienden a ser inestables.

Las pautas para la redefinición del segundo recomiendan la demostración y verificación de múltiples mediciones de relación de frecuencia con incertidumbres que se acercan al mejor rendimiento de reloj óptico. Los tres tipos de relojes del nuevo estudio ofrecen ahora un rendimiento superlativo y prometen nuevas mejoras. Relojes de iterbio del NIST, por ejemplo, representar la frecuencia natural de los átomos (un valor conocido como incertidumbre sistemática) dentro de un posible error de solo 1.4 partes en 10 ¹⁸ —Aproximadamente una mil millonésima parte de una mil millonésima.

Nuevas medidas de relación de frecuencia de NIST, mientras establece un récord, aún no son tan buenos. Pero el equipo de investigación está trabajando para mejorar la estabilidad de la medición y el rendimiento del reloj, Dijo Hume.

Más allá de su papel en la próxima generación de estándares internacionales, Los relojes atómicos ópticos se pueden utilizar como sondas sensibles para la nueva física, como la "materia oscura" que se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo. Las aplicaciones tecnológicas para relojes ópticos incluyen sistemas mejorados de sincronización y navegación y medición de la forma gravitacional de la Tierra (geodesia).