Los físicos presentan el reloj más preciso del mundo (y un gemelo para compararlo)

Los relojes son una de las tecnologías habilitadoras del mundo moderno. Sin relojes de alta precisión, el sistema de posicionamiento global no funcionaría correctamente, ni sería posible sincronizar redes a grandes distancias. Y los físicos confían en los relojes para probar las leyes fundamentales del universo a niveles cada vez más profundos.

Por lo tanto, tener relojes más precisos y confiables es un objetivo importante.

Hoy, Andrew Ludlow del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder y algunos amigos presentan los dos relojes más precisos jamás construidos. Dicen que sus nuevos relojes pueden medir el tiempo con una precisión sin precedentes de una parte en 10-18.

Ludlow y compañía ponen esto en perspectiva: una medida en el nivel fraccionario de 1018 equivale a especificar la edad del universo conocido con una precisión de menos de un segundo o el diámetro de la Tierra a menos de la anchura de un átomo.

Su reloj es una simple bestia, al menos en principio. La idea básica es que un segundo puede definirse por la frecuencia de la luz emitida por un átomo cuando los electrones en el estado fundamental saltan a otro estado.

La dificultad es medir esta frecuencia con precisión. Eso es porque cualquier pequeño movimiento del átomo genera un efecto Doppler que cambia la frecuencia. Es más, los campos eléctricos perdidos pueden cambiar estas transiciones electrónicas, cambiando su frecuencia, un fenómeno conocido como cambio de Stark. Superar estas pequeñas fuentes de error es el mayor desafío en la construcción de relojes precisos.

Ludlow y sus amigos lo han hecho utilizando una tecnología conocida como reloj de celosía óptica. En este enfoque, hacen rebotar un láser en un espejo para crear una onda de luz estacionaria que forma una red para atrapar átomos. Esta es una especie de caja de huevos en la que se sientan los átomos.

Luego llenan esta caja de huevos con átomos de iterbio y los golpean con otro láser para ver la frecuencia a la que ocurre la transición electrónica.

La caja de huevos es importante porque mantiene los átomos en un agarre similar a un tornillo de banco que minimiza cualquier efecto Doppler.

Sin embargo, los campos eléctricos asociados con la luz generan un cambio de Stark. El equipo soluciona esto eligiendo una llamada transición mágica en iterbio en la que ambos estados electrónicos se desplazan en la misma cantidad, dejando la frecuencia de transición sin cambios.

Y debido a que la caja de huevos se puede llenar con muchos átomos, Ludlow y sus colegas pueden hacer sus mediciones usando muchos átomos para obtener una señal más clara.

El resultado es un reloj que pierde solo un tic en 1018 toques.

Por supuesto, no hay forma de medir la precisión de un solo reloj, razón por la cual estos tipos tienen dos.

Los nuevos relojes hacen posible inmediatamente una serie de aplicaciones nuevas e importantes. Estos relojes son tan sensibles que pueden medir fácilmente el corrimiento al rojo gravitacional, en el que los relojes marcan más lentamente en campos gravitacionales más potentes. En otras palabras, pueden sentir cambios de altura.

Los mejores relojes de hoy son sensibles a cambios de muchos metros o kilómetros. El nuevo reloj debería poder discernir cambios de alrededor de 1 cm en la superficie de la Tierra. Eso será para aplicaciones tales como hidrología, geología y la medición de cambios en la capa de hielo en estudios de cambio climático.

También haría que los físicos probaran si cosas como el desplazamiento hacia el rojo gravitacional y la estructura fina cambian constantemente con la posición, pruebas fundamentales importantes de la física.

La mejora de los relojes es un proceso continuo que la humanidad ha emprendido durante varios miles de años. Estos últimos relojes son la impresionante culminación de todo este trabajo y, sin embargo, seguramente serán eclipsados ​​en un futuro no muy lejano.

De hecho, Ludlow y compañía señalan varias mejoras que tuvieron que hacer en un futuro cercano para mejorar aún más su reloj. Y cuando lo hagan, los próximos relojes serán aún mejores. Esa es la naturaleza de la tecnología.

Ref: http://arxiv.org/abs/1305.5869 : Un reloj atómico con inestabilidad de 10-18

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