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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

no paso na

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. La diferencia de energía entre estos dos estados corresponde a una frecuencia de 9.192.631.770 Hza. En cada estado, 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.

El verdadero reloj es un oscilador electrónico que genera pulsos de una frecuencia que puede ajustarse. Esta frecuencia se ajusta a la de la transición hiperfina del cesio por el siguiente proceso de realimentación. Un radioemisor de microondas llena la cavidad de la cámara de forma uniforme con ondas radioeléctricas con la frecuencia del oscilador electrónico. 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 es sensible a la luz emitida y está conectada al oscilador electrónico mediante instrumentación electrónica.

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.

Los usos más frecuentes de los relojes atómicos son:

Redes de telefonía.
Sistemas de Posicionamiento Global (GPS).
Medición del tiempo.
Calibración de equipos.

Investigación

La mayoría de las investigaciones se centran en los objetivos, a menudo contradictorios, de hacer los relojes más pequeños, más baratos, más precisos y más fiables.

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 atómicos: se están considerando incluyen Al³⁺, Hg^{+ / 2 +}, [12] Hg, Sr, Sr ⁺⁺ IN3, Ca ³⁺, Ca,Yb ,Yb ^{+ / 2 + / 3 +} Y.

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

Artículo principal: Reloj de lógica cuántica

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. . Las páginas 413–414, informan que el segundo internacional es igual al segundo de tiempo universal determinado por las observaciones lunares, luego de verificar la relación, a una parte en 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.

Enlaces externos

[1] D.B. Sullivan (2001). «Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years». 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. NIST. p. 4-17.

[2] 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. . Las páginas 413–414, informan que el segundo internacional es igual al segundo de tiempo universal determinado por las observaciones lunares, luego de verificar la relación, a una parte en 10¹⁰.

[Lombardi-3] 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.

[4] 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.

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 == Historia ==
+no paso na
-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]].<ref name=Lombardi>
-{{cita publicación
- |autor=M.A. Lombardi, T.P. Heavner, S.R. Jefferts
- |año=2007
- |título=NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second
- |url=http://tf.nist.gov/general/pdf/2039.pdf
- |publicación=[[Journal of Measurement Science]]
- |volumen=2 |número=4 |páginas=74
- |doi=
-}}</ref> El primer reloj atómico fue un dispositivo de maser de amoníaco construido en 1949 en la Oficina Nacional de Normas de EE.UU. (NBS, ahora [[NIST]]), era menos exacto que los relojes de cuarzo existentes, pero ha servido para demostrar el concepto. [2] El primer reloj atómico exacto, es un estándar de cesio sobre la base de una cierta transición del átomo de cesio-133, este 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 que se basa el tiempo atómico, segunda igualdad de la segunda hora con el reloj (número atómico), el SI ha sido verificado 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 en segundos.
-Mayo de 2009 -El reloj atómico óptico de esestroncio JILA  es ahora el reloj más exacto del mundo sobre la base de átomos neutros.Un luminoso láser azul en los átomos de estroncio ultrafríos en una trampa óptica que prueba 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 que se expresa 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 voluminosa y cara posteriormente fue sustituida por dispositivos mucho más pequeños de montaje en rack, como el modelo de [[Hewlett-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]
-Enfriamiento del láser  y atrapado de átomos.
-Los llamados láser de alta finura de Fabry-Pérot; con cavidades para anchos de línea de láser estrecha
-Espectroscopia láser de precisión -
-Un conveniente recuento de frecuencias ópticas utilizando peines ópticos-
-En agosto de 2004, los científicos del NIST demostraron un reloj de chip en escala atómica. [8] Según los investigadores, se creía que el reloj era la centésima parte del tamaño de cualquier otro reloj. También se alegó que requería sólo 75 mW, lo que es idóneo para aplicaciones basadas en energía a pilas. Este dispositivo a ser concebible como tal, podría convertirse en un producto de consumo.
-En marzo de 2008, los físicos en el [[Instituto Nacional de Estándares y Tecnología|NIST]] demostraron un reloj basado en la lógica cuántica sobre el [[mercurio (elemento)|mercurio]] y los iones individuales de [[aluminio]]. Estos dos relojes son las más exactos que se han construido hasta la fecha, ni gana ni pierde el reloj, a una velocidad que exceda en más de un segundo de mil millones de años [9].
 == Desarrollos más recientes ==