Científicos aumentan la exactitud de reloj atómico

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Físicos estadounidenses han aumentado la precisión para determinar la frecuencia de un reloj atómico. Ahora alcanza 2,5×10−19, que corresponde a una acumulación de un error de 1 segundo durante varios cientos de miles de millones de años. Esto se logró gracias a la medición simultánea del estado cuántico de varios miles de átomos de estroncio. Esta precisión permitirá usar este reloj para detectar ondas gravitacionales, escriben los científicos en Physical Review Letters.

El reloj atómico es el instrumento más preciso para medir el tiempo. Se basa en determinar la frecuencia de las transiciones electrónicas periódicas entre los niveles de energía excitados y terrestres en los átomos de metales alcalinos o alcalinotérreos. La estabilidad del trabajo de un reloj atómico está determinado por la relación de la desviación de frecuencia de su valor inicial a la frecuencia misma y para la mayoría de los relojes atómicos es de aproximadamente 10-15.

En su nuevo trabajo, los científicos dirigidos por Jun Ye, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EEUU (NIST) han desarrollado un método para mejorar la exactitud de la medición de la frecuencia de la transición energética, determinando el estado cuántico de átomos de estroncio en una rejilla tridimensional con una resolución espacial récord. El método propuesto por los físicos combina la espectroscopía óptica y la microscopía de alta resolución.

Con ayuda de este método, los físicos han estudiado un sistema que consta de aproximadamente 10 millones de átomos de Sr-87, refrigerados por un láser a una temperatura de 3 microkelvin. Gracias al uso de trampas ópticas de esta parte de los átomos, que estaban situado en el estado de espín deseado, los científicos han construido una rejilla ordenado tridimensional, después de lo cual llevaron a los átomos a un estado excitado con pulsos láser. Después, utilizando el método de espectroscopía de absorción en la región visible, los científicos construyeron mapas de la distribución del estado cuántico de los átomos en las rejillas del reloj atómico.

La resolución espacial del método fue de 1,1 micrómetros y permitió determinar el estado cuántico de cada átomo en una red óptica tridimensional en cada instante de tiempo. De acuerdo con los datos de medición, el tiempo de coherencia de los átomos en la red promedia unos 4 segundos, y en algunos casos puede llegar a 15 segundos. Debido a que, al mismo tiempo, se pueden analizar miles de átomos que se encuentran en un estado coherente, los científicos fueron capaces de mejorar significativamente la precisión y la determinación de la frecuencia de las transiciones, y precisamente en este tipo de sistema determina la estabilidad del reloj atómico.

Los físicos realizaron aproximadamente mil mediciones en seis horas, según las cuales se calculó la incertidumbre en la medición de la frecuencia de los relojes atómicos. Fue de 2,5×10−19, que es aproximadamente 1.5 veces mejor que el registro anterior. Dado que la frecuencia del reloj en sí es de 429 terahercios, esta exactitud de precisión de frecuencia corresponde a una incertidumbre absoluta de 100 microhertz.

Según los autores del artículo, los resultados obtenidos pueden usarse para estudiar los efectos fundamentales de la física cuántica y el estudio de fenómenos en sistemas de varios o muchos cuerpos. Los posibles métodos para utilizar dichos sistemas son los científicos denominados detección de ondas gravitacionales, así como la investigación sobre la relación entre la mecánica cuántica y la relatividad general en una escala milimétrica.

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