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Artículo publicado el 25 de mayo de 2016 en OSA

Los investigadores demuestran que relojes ópticos atómicos podrían ofrecer un reemplazo práctico para los relojes atómicos de microondas como base de la sincronización de la hora global.

La navegación mediante GPS, los sistemas de comunicación, las redes de energía eléctrica, y las redes financieras, todas ellas dependen de la precisión del tiempo mantenida por una red de unos 500 relojes atómicos situados por todo el mundo.

Reloj atómico F1 en el NIST

Reloj atómico F1 en el NIST Crédito. Theodore W. Gray

En la revista de la Sociedad Óptica para investigaciones de alto impacto, Optica, un equipo de investigadores presentó una forma de usar relojes ópticos para mantener el tiempo con mayor precisión de lo que es posible en la actualidad con los relojes atómicos tradicionales. Los investigadores también midieron la frecuencia de un reloj óptico — el análogo a su “avance” — con una precisión sin precedente.

Un sistema más preciso para mantener el tiempo global permitiría a las redes financieras usar marcas de tiempo más precisas y, de este modo, gestionar más transacciones en periodos de tiempo más pequeños. También permitiría al GPS y otros sistemas de navegación basados en satélites, proporcionar una información sobre la posición aún más precisa.

Aunque los relojes ópticos han sido más precisos que los relojes de microondas desde hace algún tiempo, su complejidad y sus periodos inoperativos han hecho que no sea prácticos usarlos para mantener el tiempo global.

“Demostramos que incluso con los tiempos no operativos de los relojes ópticos actuales, pueden mejorar la precisión”, comenta Christian Grebing, del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el Instituto Nacional de Metrología de Alemania, que es miembro del equipo de investigación. “En comparación con los mejores relojes de microondas, hemos logrado un mejor rendimiento con relojes ópticos, que generalmente se han considerado menos fiables y, por tanto, menos adecuados para la implementación real de una escala temporal práctica”.

¿Cuánto dura un segundo?

Los relojes funcionan contando un evento recurrente con una frecuencia conocida, como la oscilación de un péndulo. Para los relojes atómicos tradicionales, el evento recurrente es la oscilación natural del átomo de cesio, el cual tiene una frecuencia en la región de las microondas del espectro electromagnético. Desde 1967, el Sistema Internacional de Unidades (SI) ha definido el segundo como el tiempo que pasa durante 9 192 631 770 ciclos de la señal de microonda producida por estas oscilaciones.

Los relojes atómicos son extremadamente precisos debido a que se basan en vibraciones atómicas universales y naturales. Sin embargo, incluso los mejores relojes atómicos de microondas pueden acumular un error de aproximadamente 1 nanosegundo cada mes.

Los relojes ópticos funcionan de un modo algo similar a los de microondas, pero usan átomos o iones que oscilan a unas frecuencias unas 100 000 superiores a las de microondas, en el rango óptico, o visible, del espectro electromagnético. Estas frecuencias superiores implican que los relojes ópticos “marcan” más rápidamente que los de microondas, y esto contribuye a una mayor precisión y estabilidad a lo largo del tiempo. Sin embargo, los relojes ópticos experimentan momentos de inactividad significativos debido a su gran complejidad técnica.

Haciendo relojes ópticos prácticos

Para lidiar con estos momentos de inoperatividad que incordian a los relojes ópticos actuales, los investigadores combinaron un máser comercial con un reloj de red óptica de estroncio en el PTB, el Instituto de Metrología Nacional de Alemania. El máser, que es como un láser salvo que opera en el rango del espectro de las microondas, puede usarse como una especie de péndulo fiable con una precisión limitada para solventar los tiempos inoperativos del reloj óptico. Los investigadores solventaron el gran hueco espectral entre la frecuencia óptica del reloj y la frecuencia de microondas del máser con un peine de frecuencia óptica, que divide de forma efectiva las “marcas” más lentas de las microondas para que encajen con las más rápidas del reloj óptico.

“Comparamos el máser de funcionamiento continuo con nuestro reloj óptico, y corregíamos la frecuencia del máser siempre que teníamos datos disponibles del reloj óptico”, comenta Grebing. “Durante los periodos de caída del reloj óptico, el máser funciona de forma estable”.

Los investigadores hicieron funcionar el máser y el reloj óptico durante 25 días, durante el cual el reloj óptico funcionó el 50% del tiempo. Incluso con los periodos de inactividad del reloj óptico variando de minutos a días, los investigadores calcularon un error de 0,20 nanosegundos durante 25 días.

Redefinir el segundo

Para redefinir un segundo en base a los relojes ópticos no sólo se requiere estar seguro de que los relojes ópticos son prácticos, sino también comparar sus frecuencias, o “avance”, con la vieja definición del SI de segundo. Para esto, los investigadores compararon el reloj óptico de estroncio con dos relojes de microondas en el PTB. Incorporando un máser mejoraron mucho la incertidumbre estadística de estas medidas, permitiendo a los investigadores mejor la frecuencia absoluta de las oscilaciones del estroncio de los relojes ópticos con el menor margen de error jamás logrado. La incertidumbre relativa obtenida era de aproximadamente 2,5×10-16 lo que corresponde a perder 100 segundos durante la edad del universo — unos 14 000millones de años.

“Nuestro estudio es un hito en términos de implementación práctica de relojes ópticos”, comenta Grebing. “El mensaje es que podríamos implementar en la actualidad estos relojes ópticos en la infraestructura para mantener el tiempo global que tenemos ahora, y lograríamos una ganancia”.

Aunque los relojes ópticos mantienen el tiempo aproximadamente unas 100 veces mejor que los relojes atómicos, Grebing comenta que cree que una verdadera redefinición del segundo podría estar a una década en el futuro. Tiene sentido mantener la definición de segundo del SI hasta que esté claro cuál de los distintos tipos de reloj óptico es el mejor para mantener el tiempo global. También, con el altísimo ritmo al que mejora la tecnología de relojes ópticos, el límite de precisión de estos relojes aún no se sabe con seguridad.

“Queremos mejorar la infraestructura de sincronización global construyendo relojes cada vez mejores e integrándolos en la infraestructura actual”, señala Grebing. “Lo que hemos demostrado es un primer paso hacia una mejora global de la sincronización”.

Referencias

C. Grebing, A. Al-Masoudi, S. Dörscher, S. Häfner, V. Gerginov, S. Weyers, B. Lipphardt, F. Riehle, U. Sterr, C. Lisdat, “Realization of a timescale with an accurate optical lattice clock,” Optica, 3, 6, 563(2016). DOI: doi.org/10.1364/optica.3.000563.

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