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Revisión del 22:57 9 may 2010
Un reloj atómico es un tipo de reloj que utiliza una frecuencia de resonancia atómica normal para alimentar su contador. Los primeros relojes atómicos tomaban su referencia de un Máser.[1] Las mejores referencias atómicas de frecuencia (o relojes) modernas se basan en físicas más avanzadas que involucran átomos fríos y las fuentes atómicas. Las agencias de las normas nacionales mantienen una exactitud de 10-9 segundos por día,[2] y una precisión igual a la frecuencia del transmisor de la radio que bombea el máser. Los relojes atómicos mantienen una escala de tiempo continua y estable, el Tiempo Atómico Internacional (TAI). Para el uso cotidiano, se disemina otra escala de tiempo, el Tiempo Universal Coordinado (UTC). El UTC se deriva del TAI, pero se sincroniza usando segundos de intercalación con el Tiempo Universal (UT1), el cual se basa en el paso del día y la noche según las observaciones astronómicas.
El primero fue construido en 1948 por el Willard Frank Libby de los EEUU basándose en las ideas sobre un fenómeno extremadamente regular, la resonancia magnética molecular y atómica, del Nobel Isidor Isaac Rabi,[3] aunque la precisión conseguida por el amoníaco (molécula utilizada por el prototipo del NIST) no era muy superior a los estándares de la época basados en osciladores de cuarzo.
Hoy los mejores patrones de frecuencia atómicos se basan en las propiedades físicas que tienen las fuentes de emisión de cesio. El primer reloj atómico de cesio fue construido en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física (NLP), en Inglaterra. Sus creadores fueron Louis Essen y John V.L Parry.[4]
En el año 1967 los relojes atómicos basados en cesio habían conseguido fiabilidad suficiente como para que la Oficina Internacional de Pesas y Medidas eligiera la frecuencia de vibración atómica de los dispositivos creados y perfeccionados por Essen como nuevo patrón base para la definición de la unidad de tiempo físico. Según este patrón, un segundo se corresponde con 9.192.631.770 ciclos de la radiación asociada a la transición hiperfina desde el estado de reposo del isótopo de cesio-133. La precisión alcanzada con este tipo de reloj atómico es tan elevada que admite únicamente un error de un segundo en 30.000 años. El reloj más preciso del mundo se diseña en el Observatorio de París, donde los actuales relojes atómicos tardan 52 millones de años para desfasarse un segundo. El nuevo objetivo de la investigación francesa es aumentar ese plazo a 32 mil millones de años. El estándar actual de los relojes atómicos en activo permite el atraso de un segundo cada 3.700 millones de años (NIST EU).
Desarrollos más recientes
A pesar de ello, los físicos continúan experimentando con nuevas variaciones, como los másers de hidrógeno (Townes), los de bombeo óptico de rubidio (Kasler) o los recientemente propuestos de mercurio, que permitirían alcanzar mayor precisión. También se mejora constantemente la precisión de los de cesio con lásers para enfriar los átomos; la del último reloj de NIST, el NIST-F1, puesto en marcha en 1999, es del orden de un segundo en veinte millones de años.
En agosto de 2004 del NIST hicieron la primera demostración de un reloj atómico del tamaño de un circuito integrado. Esto representa un reloj cien veces menor que cualquier otro construido hasta la fecha y con un consumo de sólo 0,079 vatios.
Funcionamiento
Mientras el reloj mecánico depende de un péndulo para funcionar, el atómico trabaja con la frecuencia de las transiciones energéticas hiperfinas (en rangos de las microondas) en los átomos.
En un extremo del reloj de cesio hay un horno con una placa de cesio del que se evaporan iones de este metal. Los iones se presentan en dos estados dependientes del spin del último electrón del cesio. Estos estados presentan una frecuencia energética de 9.192.631.770 Hz y en cada estado diferente los iones tienen propiedades magnéticas diferentes. Tras la evaporación, se utiliza un imán para separar los iones y descartar aquellos con mayor energía. Los iones con menor energía van a parar a una cámara.
Un radioemisor de microondas llena la cavidad de la cámara de forma uniforme con ondas radioeléctricas. Cuando la frecuencia de la onda radiada se acopla con la frecuencia de la transición hiperfina del cesio, los iones de cesio absorben la radiación y emiten luz. Una célula fotoeléctrica captura el momento exacto de la emisión; dicha célula tiene asociada una instrumentación electrónica que lo conecta con el radioemisor y que ajusta la frecuencia del mismo.
Finalmente, conectado a dicha electrónica hay un contador que lleva el registro de veces que el radiotransmisor ha emitido una onda en la frecuencia del cesio y una computadora hace los cálculos restantes hasta convertirlos en un formato legible o en una radiotransmisión de un pulso en el espectro radioeléctrico en que escuchan los aparatos receptores. Por supuesto, el verdadero reloj es el contador.
Para realizar la medición a través de estas partículas es necesario crear un campo electromagnético que no existe de forma natural en el Universo. El proceso se realiza dentro de una "trampa magneto-óptica", una esfera del tamaño de un melón en la cual se inyectan átomos de cesio y se propagan, encerrados en un campo magnético, seis rayos de luz láser.
De la misma forma que una persona disminuye su paso ante una ráfaga de viento, los átomos reducen su velocidad al ser bombardeados por los láseres emitidos en todas direcciones. Con este método los átomos pueden reducir su velocidad hasta hacerla 10 mil veces más lenta de lo normal. Cuando los átomos y los láseres chocan, se forma una nube de átomos muy lentos o ultrafríos.
El sistema electrónico del reloj marca un segundo cuando han ocurrido 9.192.631.770 periodos de oscilación del campo eléctrico. "De contar ese número de oscilaciones viene la exactitud del reloj atómico"
En este tipo de reloj, los átomos de cesio emiten fotones, parecidos a una onda, que oscilan como el péndulo de un reloj antiguo. Cuando ha oscilado 9.192.631.770 veces (por decreto de la Decimotercera Conferencia General de Pesos y Medidas de 1967) un "segundo atómico" ha transcurrido.
Los usos más frecuentes de los relojes atómicos son:
- Redes de telefonía.
- Sistemas de Posicionamiento Global (GPS).
- Medición del tiempo.
- Calibración de equipos.
Reloj atómico de aluminio
Físicos del National Institute of Standards and Technology NIST han construido una versión mejorada de reloj atómico experimental basado en un único átomo de aluminio que a febrero de 2009 es el reloj más preciso ya que no gana ni pierde un segundo en 3,7 mil millones de años.
Como la definición internacional de segundo (Sistema Internacional de Unidades) está basada en el átomo de cesio, el cesio permanece el regulador del paso de tiempo oficial y por tanto ningún reloj puede ser más cuidadoso que el de cesio. [1]
Véase también
Fuentes
Referencias
- ↑ D.B. Sullivan (2001). «Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years». 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. NIST. p. 4-17.
- ↑ W. Markowitz (1988). «Comparisons of ET(Solar), ET(Lunar), UT and TDT'». En A.K. Babcock, G.A. Wilkins, ed. The Earth's Rotation and Reference Frames for Geodesy and Geophysics, International Astronomical Union Symposia #128. pp. 413-418.. Pages 413–414, gives the information that the SI second was made equal to the second of ephemeris time as determined from lunar observations, and was later verified in this relation, to 1 part in 1010.
- ↑ M.A. Lombardi, T.P. Heavner, S.R. Jefferts (2007). «NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second». Journal of Measurement Science 2 (4): 74.
- ↑ L. Essen, J.V.L. Parry (1955). «An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator». Nature 176: 280. doi:10.1038/176280a0.