Un equipo internacional de JILA está desarrollando un reloj atómico que corrige los relojes atómicos existentes, lo que potencialmente permitirá el desarrollo.
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>GPSsincronización de Internet y comunicación segura.
Su trabajo, utilizando núcleos de torio y láseres ultravioleta, también proporcionó un vínculo importante con los sistemas nucleares actuales de cronometraje, ofreciendo conocimientos sobre la física fundamental y el potencial de relojes portátiles más robustos.
Revolucionando el cronometraje: la llegada de los relojes nucleares
El mundo mantiene el tiempo con el tictac de los relojes atómicos, pero se está desarrollando un nuevo tipo de reloj, un reloj atómico, que podría revolucionar la forma en que medimos el tiempo y probamos la física fundamental.
Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de JILA, una institución conjunta del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, ha demostrado los elementos clave de un reloj atómico. Un reloj nuclear es un nuevo tipo de dispositivo de cronometraje que utiliza señales del núcleo.
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>atom. El equipo utilizó un láser ultravioleta especialmente diseñado para medir con precisión la frecuencia de los saltos de energía en los núcleos de torio incrustados en un cristal sólido. También utilizaron un peine de frecuencia óptica, que actúa como una regla de luz muy precisa, para contar el número de ciclos de ondas ultravioleta que hacen saltar esta energía. Si bien esta demostración de laboratorio no es un reloj atómico completamente desarrollado, contiene todas las técnicas básicas para hacerlo.
Mayor precisión e integración de tecnología
Los relojes atómicos pueden ser más precisos que los relojes atómicos actuales, que proporcionan la hora internacional oficial y desempeñan un papel importante en tecnologías como el GPS, la sincronización de Internet y las transacciones financieras. Para el público en general, este avance podría significar sistemas de navegación aún más precisos (con o sin GPS), velocidades de Internet más rápidas, conexiones de red más confiables y comunicaciones digitales más seguras.
Más allá de la tecnología cotidiana, los relojes atómicos pueden mejorar los experimentos sobre teorías fundamentales de cómo funciona el universo, lo que podría conducir a nuevos descubrimientos en física. Pueden ayudar a detectar materia oscura o confirmar si existen constantes en la naturaleza, permitiendo verificar teorías en física de partículas sin necesidad de aceleradores de partículas a gran escala.
Precisión láser en el cronometraje
Los relojes atómicos miden el tiempo ajustando la frecuencia de la luz láser que hace que los electrones salten entre niveles de energía. Los relojes atómicos utilizan saltos de energía en la pequeña región central del átomo, llamada núcleo, donde se agrupan partículas llamadas protones y neutrones. Estos saltos de energía son muy parecidos a accionar un interruptor de luz. La luz láser brillante puede activar este «interruptor» nuclear con la cantidad justa de energía necesaria para este salto.
Los relojes atómicos tienen grandes ventajas en cuanto a precisión del reloj. En comparación con los electrones de los relojes atómicos, el núcleo se ve mucho menos afectado por perturbaciones externas como los campos electromagnéticos dispersos. La luz láser necesaria para provocar un salto de energía en los núcleos tiene una frecuencia mucho mayor que la necesaria para los relojes atómicos. Esta frecuencia más alta, es decir, más ciclos de ondas por segundo, está directamente relacionada con un mayor número de «tics» por segundo y, por lo tanto, conduce a una medición del tiempo más precisa.
Retos e hitos en el desarrollo
Pero hacer un reloj atómico es muy difícil. Para lograr el salto de energía, la mayoría de los núcleos nucleares necesitan recibir rayos X coherentes (una forma de luz de alta frecuencia) a energías mucho más altas que las que la tecnología actual puede producir. Por eso, los científicos se han centrado en el torio-229, un átomo con un salto de energía más pequeño en su núcleo que cualquier otro átomo conocido, y que requiere luz ultravioleta (que tiene menos energía que los rayos X).
En 1976, los científicos descubrieron este salto de energía del torio, conocido en física como «transición nuclear». En 2003, los científicos propusieron utilizar esta transición para crear un reloj, y no lo observaron directamente hasta 2016. A principios de este año, dos equipos de investigación diferentes utilizaron láseres ultravioleta que desarrollaron en el laboratorio para activar un «interruptor» nuclear y medir la luz que requiere.
Logros y perspectivas de futuro
En el nuevo trabajo, los investigadores de JILA y sus colegas están creando todos los componentes esenciales de un reloj: transiciones atómicas de torio-229 para proporcionar los «ticks» del reloj, un láser para realizar saltos de energía precisos entre los estados cuánticos individuales de un núcleo. y una curva de frecuencia para la medición directa de estos «tics». Este esfuerzo ha logrado un nivel de salud que es un millón de veces mayor que las mediciones anteriores basadas en olas. Además, compararon esta frecuencia ultravioleta directamente con la frecuencia óptica utilizada en uno de los relojes atómicos más precisos del mundo, que utiliza átomos de estroncio, lo que establece por primera vez un enlace de frecuencia directo entre una transición atómica y un reloj atómico. Este enlace directo de frecuencia y el aumento de la precisión son un paso importante en el desarrollo del reloj atómico y su integración con los sistemas de cronometraje existentes.
Las investigaciones ya han dado resultados extraordinarios, incluida la capacidad de observar detalles en la forma del núcleo de torio que nadie había visto antes: es como ver briznas de hierba individuales desde un avión.
El equipo presentó sus hallazgos en la edición del 4 de septiembre de la revista. naturaleza Como portada.
En el horizonte: cronometraje portátil y preciso
Aunque todavía no es un reloj atómico que funcione, es un paso importante hacia la creación de un reloj que pueda ser portátil y altamente estable. El uso de torio unido a un cristal sólido, con una sensibilidad reducida a las perturbaciones externas del núcleo, allana el camino para dispositivos de cronometraje potencialmente compactos y robustos.
«Imagínese un reloj de pulsera que no pierde ni un segundo incluso si lo deja funcionando durante miles de millones de años», dijo Jun Ye, físico del NIST y JILA. «Aunque todavía no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de salud».
Para obtener más información sobre este avance, consulte La precisión se une al poder en el primer reloj nuclear de torio del mundo.
Referencia: “Relación de frecuencia 229 d.C.transiciones isoméricas nucleares y 87Reloj Atómico Sr” Chuankun Zhang, Tian Oi, Jacob S. Higgins, Jack F. Doll, Lars von der Veens, Kjeld Backes, Adrian Leitner, Georgy A. Kazkov, Peng Li, Peter G. Throlff, Thorsten Schomm y Jun Yi 4 de septiembre de 2024 naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07839-6
El equipo de investigación incluyó investigadores de JILA, una agencia conjunta del NIST y la Universidad de Colorado Boulder; Centro de Viena para la Ciencia y la Tecnología Cuánticas; y IMRA América, Inc.
