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Los dos sistemas primarios en estudio para su uso en los patrones de frecuencia óptica son iones aislado en una trampa de iones y átomos neutros atrapado en una red óptica. [12] Estas dos técnicas permiten que los átomos o iones para ser altamente aislada de perturbaciones externas, lo que produce una frecuencia extremadamente estable de referencia. |
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Revisión del 10:22 10 jun 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).
Historia
La idea de utilizar la vibración atómica para medir el tiempo se sugirió por primera vez por lord kelvin en 1879. El método práctico para hacer esto se convirtió en la resonancia magnética, desarrollada en la década de 1930 por Isidor Isaac Rabi. [1] El primer reloj atómico fue un dispositivo de maser de amoníaco construido en 1949 en la Oficina Nacional de EE.UU. de Normas (NBS, ahora NIST). Era menos exacto que los relojes de cuarzo existentes, pero sirve para demostrar el concepto. [2] El primer reloj atómico exacto, un estándar de cesio sobre la base de una cierta transición del átomo de cesio-133, fue construido por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física (Reino Unido) [3] La calibración del reloj de cesio atómica estándar se llevó a cabo mediante el uso de la escala astronómica tiempo efemérides tiempo (ET). [4] Esto llevó a la definición acordada internacionalmente de los últimos segundos del SI se basa el tiempo atómico. segunda igualdad de la segunda hora con el reloj (número atómico) SI ha sido verificada con una precisión de 1 parte en 1010. [5] El segundo SI hereda así el efecto de las decisiones de los diseñadores originales de la escala de tiempo de efemérides, la determinación de la longitud de la ET segundos.
Mayo de 2009 - estroncio JILA de reloj atómico óptico es ahora el reloj más exacto del mundo sobre la base de átomos neutros. Luminoso un láser azul en los átomos de estroncio ultrafríos en una trampa óptica pruebas sobre la eficacia de una explosión previa de luz de un láser de color rojo ha impulsado los átomos a un estado excitado. Sólo los átomos que permanecen en el estado de menor energía responden al láser azul, provocando la fluorescencia se ve aquí. Fotografía: Sebastián Blatt, JILA, Universidad de Colorado [6] Desde el comienzo del desarrollo en la década de 1950, los relojes atómicos se han hecho sobre la base de la hiperfina (microondas) las transiciones en el hidrógeno-1, el cesio-133, y el rubidio-87. El primer reloj atómico comercial era el Atomichron, fabricado por la Compañía Nacional. Más de 50 fueron vendidos entre 1956 y 1960. Esta máquina voluminoso y caro posteriormente fue sustituido por dispositivos mucho más pequeños de montaje en rack, como el modelo de HHewlett-Packard 5060 estándar de frecuencia del cesio, lanzado en 1964 [1].
A finales de la década de 1990 cuatro factores han contribuido a importantes avances en los relojes: [7]
Láser enfriamiento y atrapado de átomos Los llamados de alta finura de Fabry-Pérot cavidades para anchos de línea de láser estrecha Espectroscopia láser de precisión Conveniente recuento de frecuencias ópticas utilizando peines ópticos En agosto de 2004, los científicos del NIST demostrado un reloj de chip en escala atómica. [8] Según los investigadores, el reloj se creía que era la centésima parte del tamaño de cualquier otro. También se alegó que requiere sólo 75 mW, lo que es idónea para aplicaciones basadas en pilas. Este dispositivo es concebible podría convertirse en un producto de consumo.
En marzo de 2008, los físicos en el NIST demostrado un reloj basado en la lógica cuántica sobre el mercurio y los iones individuales de aluminio. Estos dos relojes son las más exactas que se han construido hasta la fecha, ni ganar ni perder el reloj a una velocidad que exceda en más de un segundo de mil millones de años [9].
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.
Investigación
reloj atómico Chip escala revelado por la investigación se centra en NISTMost los objetivos a menudo contradictorios de hacer los relojes más pequeños, más baratos, más precisa y más fiable.
Las nuevas tecnologías, tales como peines de frecuencia de femtosegundo, redes ópticas y la información cuántica, han permitido a los prototipos de la próxima generación relojes atómicos. Estos relojes se basan en la óptica en lugar de las transiciones de microondas. Un obstáculo importante para el desarrollo de un reloj óptico es la dificultad de medir directamente las frecuencias ópticas. Este problema se ha resuelto con el desarrollo de la auto-referencia en modo bloqueado láseres, comúnmente conocida como peines de frecuencia de femtosegundo. Antes de la demostración del peine de frecuencias en el año 2000, las técnicas de terahercio eran necesarias para salvar la distancia entre frecuencias de radio y ópticas, y los sistemas para hacerlo eran engorrosos y complicados. Con el perfeccionamiento del peine de frecuencias de estas mediciones se han vuelto mucho más accesible y numerosos sistemas ópticos reloj se están desarrollando en todo el mundo.
Al igual que en el rango de la radio, la espectroscopia de absorción se utiliza para estabilizar un oscilador - en este caso un láser. Cuando la frecuencia óptica se divide hacia abajo en una frecuencia de radio contables usando un peine de femtosegundos, el ancho de banda del ruido de fase se divide también por ese factor. Aunque el ancho de banda de ruido de fase del láser es generalmente mayor que las fuentes de microondas estable, después de la división es menos.
Los dos sistemas primarios en estudio para su uso en los patrones de frecuencia óptica son iones aislado en una trampa de iones y átomos neutros atrapado en una red óptica. [12] Estas dos técnicas permiten que los átomos o iones para ser altamente aislada de perturbaciones externas, lo que produce una frecuencia extremadamente estable de referencia.
relojes ópticos ya han logrado una mayor estabilidad y menor incertidumbre sistemática de lo que los relojes de las mejores de microondas. [12] Esto les coloca en una posición para reemplazar la norma actual por el tiempo, el reloj fuente de cesio.
sistemas Atómica se están considerando incluyen Al3 +, Hg + / 2 +, [12] Hg, Sr, Sr + + IN3, Ca3 +, Ca, Yb + / 2 + / 3 + y yb.
Radio relojes
Un radio-reloj es un reloj que se ajusta automáticamente a la hora atómica por medio de señales de radio oficiales recibidas por un receptor de radio. Muchos minoristas venden radio-relojes erróneamente como "relojes atómicos"; aunque las señales de radio que reciben provienen de relojes atómicos, éstos no son los relojes atómicos propiamente dichos. Proporcionan un medio de obtener la hora de alta precisión procedente de un reloj atómico, en una amplia zona y con un equipo barato. Aunque las emisiones oficiales de la hora son en sí mismas extremadamente precisas, muchos radio relojes de consumo se sincronizan sólo una vez al día, por lo que sólo consiguen una precisión de aproximadamente un segundo. Para obtener ventajas de la exactitud total de las señales horarias recibidas, deben utilizarse instrumentos receptores con capacidad de graduación de la hora. Hay un retraso en la señal de aproximadamente 1 ms por cada 300 kilómetros (186 millas) de distancia entre el transmisor y el receptor.
Las señales horarias producidas por los relojes atómicos son difundidas por transmisores de onda larga de radio gestionados por los gobiernos de muchos países alrededor del mundo, como DCF77 (Alemania), HBG (Suiza), JJY (Japón), MSF (Reino Unido), TDF (Francia) y WWVB (Estados Unidos). Estas señales se pueden recibir desde muy lejos fuera de su país de origen (La señal JJY a veces puede ser recibida incluso en Australia Occidental y Tasmania por la noche), así que hay muy pocas regiones del mundo donde la hora precisa procedente de relojes atómicos no esté disponible.
Aplicación
Los relojes atómicos se utilizan para generar las frecuencias estándar. Se instalan en los sitios de señales de tiempo, LORAN-C, y transmisores de Alfa de navegación. [Cita requerida] También se instaló en algunas estaciones de radiodifusión de onda larga y onda media para entregar una frecuencia de transmisión muy precisa, que también puede funcionar como la frecuencia estándar. [ cita requerida]
Además, los relojes atómicos se utilizan para la interferometría de larga línea de base en radioastronomía. [11]
Los relojes atómicos son la base del sistema de navegación GPS. El reloj maestro GPS es una media ponderada de los relojes atómicos en las estaciones de tierra y embarcados los satélites GPS, cada uno de ellos tiene varios relojes atómicos.
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]
Sistema de posicionamiento global
El sistema GPS proporciona señales muy exactas de hora y frecuencia. Un receptor GPS funciona midiendo el tiempo de retraso relativo de las señales de cuatro o más satélites GPS, cada uno con tres o cuatro relojes atómicos de cesio o rubidio a bordo. Los cuatro tiempos relativos son transformados matemáticamente en tres coordenadas de distancia absoluta y en una coordenada de tiempo absoluto. La hora tiene una precisión de alrededor de 50 nanosegundos. Sin embargo, receptores GPS poco costosos probablemente no asignen una alta prioridad a la actualización de la pantalla, por lo que la hora mostrada puede diferir sensiblemente de la hora interna. Las referencias a la precisión de la hora que utilizan los GPS se comercializan para su uso en redes informáticas, laboratorios y redes de comunicaciones celulares, y mantienen la exactitud dentro del margen de alrededor de 50 ns.
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.