¿Sabías que la definición del segundo ha cambiado durante los últimos tiempos?, en la actualidad se hacen esfuerzos por mejorar los esquemas experimentales con el objetivo de dar una definición cada vez más precisa.
Recientemente, se presentaron importantes avances sobre el reloj óptico de Iterbio, fuerte candidato para redefinir el segundo en el sistema internacional de medidas. El Profesor Andrew Ludlow del NIST (National Institute of Satandars) junto a sus colaboradores, presentaron las mejoras en la incertidumbre del sistema, la inestabilidad de la medición y la reproducibilidad.
El tiempo es sin duda una cantidad física con la que estamos muy acostumbrados a convivir, a diferencia de otras, como la corriente eléctrica o la cantidad de luz. Todo el tiempo estamos haciendo referencia a la vejez, la juventud, el nacimiento de un bebé e incluso a la muerte. Estos sucesos están marcados por escalas temporales lo que hace que sea cotidiano para nosotros (sin contar con el reloj de pulso o la hora que aparece en nuestro teléfono celular, indicando que es hora de levantarnos). En ese sentido, es posible que nunca nos hayamos preguntado cómo se define y sobre todo cuáles son las implicaciones de que el patrón de medida llegue a cambiar.
Definición actual
En el mundo moderno, los átomos se han convertido en nuestros mejores relojes. Por lo que la definición del segundo proviene del número de oscilaciones que ocurren en una transición energética, entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio (133CS). Cuando contamos 9.192.631.770 de esos ciclos de radiación, llamamos al intervalo de tiempo transcurrido, un segundo. El reporte de la medida de la frecuencia del cesio aparece en la Physical Review Letters y ya se conocía desde 1958.
Sin entrar en detalles técnicos de cómo se consigue experimentalmente, la transición energética, hace referencia a los saltos de energía hacia arriba y abajo realizados por el electrón más externo que orbita el núcleo. Con nivel hiperfino, nos referimos a las alteraciones en los niveles de energía del átomo de cesio, cuando el electrón interactúa magnéticamente con el núcleo.
En ese caso, cuando el átomo absorbe la cantidad de energía necesaria, hace la transición hiperfina, el átomo ingresa al nivel de energía más alto y cuando éste salta nuevamente al estado de menor energía, libera una radiación con la frecuencia precisa de 9.192.631.770 ciclos por segundo, que se utiliza como estándar de medida.
Estos relojes atómicos han permitido tener unas mediciones temporales extremadamente precisas, por ejemplo, es posible encontrar en el mercado, relojes de Cesio que se atrasan 1 /3.000.000 segundos en un año, lo cual da muestra del avance científico y tecnológico de la actualidad. Ya por el año 2014 se desarrollaron relojes atómicos cuya precisión está alrededor de 1/300.000.000, es decir que se atrasan un segundo cada 300 millones de años, esto los convertía en los más precisos, y de alguna manera nos presentaba el límite experimental.
Sin embargo, existen diversos contextos en los que sería muy importante contar con medidas un poco más precias. Este es el caso de los cálculos geodésicos relativistas, los cuales mejoran la comunicación de alta velocidad, sincronización de redes eléctricas, y entre otras, la metrología, ya que siempre será importante tener patrones en la frontera de las posibilidades experimentales. Tener un patrón mejorado puede ser un desafío importante de la ciencia actual.
Desafío contemporáneo
En la actualidad, los científicos han estado experimentando con otro tipo de materiales. Átomos ultrafríos de estroncio e iterbio que mediante montajes ópticos pueden generar medidas mucho más precisas, que dividen el segundo hasta en un millón de veces más con respecto a los relojes atómicos estándares de cesio.
Estos relojes basados en fotónica se realizan sobre redes ópticas (Ver figura) y permiten un control altísimo de todos los parámetros del experimento, llegando así a obtener incertidumbres del orden de 10^-18. Hay que tener en cuenta que la precisión (estabilidad) del reloj, es una medida de qué tan bien mantiene el tiempo frente a perturbaciones externas y parámetros experimentales variables.
Red óptica en la que se puede ver una ocupación individual de átomos, usada para explorar de manera experimental el control de estados atómicos. Las redes ópticas se generan por la interferencia de dos o mas láseres en el espacio libre. (Tomada de Joint Quantum Institute Research – Porto Group https://groups.jqi.umd.edu/porto/).
De manera concreta, el reloj de iterbio es un fuerte candidato para redefinir el segundo, con avances recientes en la incertidumbre sistemática, la inestabilidad de la medición y la reproducibilidad del experimento. Este reloj avanzó a un nivel de estabilidad de 10^-18 y promete interesantes aplicaciones más allá de la definición misma de patrones de medida; Por ejemplo, la innovación de la georeferenciación, el avance en las telecomunicaciones y las pruebas de la variación de constantes universales.
Por su parte, el reloj en red de estroncio además de ofrecer medidas muy precisas de tiempo (tres veces más que el patrón oficial de medida) ha permitido el desarrollo de nuevas técnicas experimentales para la obtención de láseres ultraestables y sincronización de pulsos, lo que al final, se puede resumir en un control y manipulación de estados atómicos con una técnica excepcional, todo en el contexto de los átomos ultrafríos en redes ópticas.
Es así como los relojes atómicos ópticos han desembocado en una próxima generación de mediciones y permiten a la comunidad científica, tener la confianza de seguir avanzando en la obtención de patrones y a la vez desarrollar esquemas experimentales que mejoren, por ejemplo, los sistemas de navegación, la sincronización y la seguridad de las telecomunicaciones.
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Tania no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá de la profesión académica citada.
