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Relojes atómicos para su uso en el espacio y sobre el terreno

Gracias a fondos europeos, unos investigadores han desarrollado un reloj atómico óptico, modular y portátil con una inestabilidad de la frecuencia del orden de 1x10-16. Su trabajo supone un paso importante hacia un prototipo de reloj óptico espacial para una misión de la Agencia Espacial Europea (ESA).

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En el interior de todo reloj tiene lugar un fenómeno oscilatorio que se produce a intervalos muy regulares. Puede ser un péndulo oscilante o las oscilaciones de un cristal de cuarzo generadas por una tensión eléctrica. Sin embargo, los relojes mecánicos y electromecánicos suelen ser susceptibles a las variaciones de temperatura y al envejecimiento, a pesar de sus diseños tan ingeniosos. Además, la necesidad continua de realizar un seguimiento del tiempo cada vez más preciso exige osciladores que tengan frecuencias más elevadas. Los relojes atómicos ópticos utilizan la frecuencia de las transiciones electrónicas entre orbitales atómicos. Son frecuencias ópticas ultraelevadas si se comparan con las frecuencias de microondas convencionales. Representan un avance revolucionario en las normas de medición del tiempo, conseguido gracias a los avances en los campos de la tecnología láser y la óptica cuántica. Los relojes atómicos ópticos se impondrán a los relojes atómicos basados en el cesio, ahora convencionales, que se mueven conforme a la frecuencia de las microondas. En los relojes atómicos ópticos llamados de retícula se utilizan átomos fríos que son atraídos hacia una onda láser en forma de onda estacionaria (retícula óptica). En ella se confinan miles de átomos simultáneamente. Ajustando la luz láser de la retícula a una longitud de onda muy específica, «mágica» por así decir, es posible minimizar sus efectos sobre las transiciones electrónicas. Así pues, los relojes atómicos ópticos pueden lograr una precisión y estabilidad sin precedentes. Gracias a los fondos concedidos al proyecto SOC2 (Towards neutral-atom space optical clocks: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems), un equipo de investigadores desarrolló los subsistemas y componentes críticos necesarios para construir relojes ópticos ultraprecisos de retícula, de átomos neutros, adecuados para el transporte y, a la larga, para el espacio. Los investigadores trabajaron con átomos de yterbio (Yb) y estroncio (Sr). Los científicos de SOC2 desarrollaron los subsistemas láser necesarios y los integraron con subsistemas atómicos de estroncio e yterbio para obtener sistemas de reloj completos. Un resultado es el primer reloj atómico óptico de retícula totalmente modular. Por el aparato a base de estroncio, diseñaron subsistemas de estabilización de frecuencia láser robustos y compactos basados en cavidades ópticas, un ralentizador atómico con imán permanente y una cámara atómica muy compacta. Además hay un horno compacto de bajo consumo energético que transmite los átomos a la cámara. El aparato produce rutinariamente átomos de estroncio ultrafríos at temperaturas de microKelvins en una retícula óptica. Las propiedades del reloj —como las variaciones sistemáticas de la frecuencia de transición y la inestabilidad— se han caracterizado en lo relativo al isótopo bosónico 88Sr, habiendo deparado resultados muy satisfactorios, por ejemplo una inestabilidad de frecuencias al nivel fraccional de 1x10-16. En el caso del reloj basado en Yb, los científicos desarrollaron diodos láser de cavidad externa utilizando filtros de interferencia de banda estrecha que pueden mejorar la estabilidad frente a los láseres estabilizados mediante rejillas que se utilizan habitualmente. El aparato quedó totalmente operativo. Funcionó de forma automática y estable durante varias horas de uso continuo. Se efectuó una caracterización metrológica preliminar en la Universidad de Düsseldorf. Seguidamente, se trasladó en furgoneta desde esta universidad hasta el Instituto de Metrología (INRiM) de Turín (Italia), donde se puso en funcionamiento nuevamente, para llevarlo de vuelta después a Düsseldorf. Los relojes atómicos ópticos de SOC2 son demostradores, en forma de montaje experimental, de futuros relojes para su uso en experimentos realizados en el espacio, en concreto para llevar a cabo una prueba más precisa de uno de los aspectos fundamentales de la teoría de la relatividad general de Einstein relativa a la dilatación del tiempo en el campo gravitatorio. Además, un reloj espacial sería útil para brindar frecuencias ultraestables en toda la Tierra y para habilitar la geodesia relativista, un nuevo enfoque para medir el potencial gravitacional de la Tierra. Ya se está preparando una misión de la ESA que persigue esos objetivos y los científicos de SOC2 participan sustancialmente en ello.

Palabras clave

Relojes atómicos, relojes ópticos, láseres semiconductores, átomos fríos, tecnología cuántica, SOC2, espacio, física fundamental, geodesia

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