Reloj óptico

El oscilador local está referenciado a la transición del reloj. En los relojes ópticos, el oscilador es luz láser estabilizada a la transición del reloj atómico.

Los relojes ópticos que utilizan átomos neutros o ionizados se emplean en diversos sistemas experimentales. Por ejemplo, millones de átomos neutros de estroncio se atrapan en una red óptica, ^{[ 2 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} compuesta por numerosos sitios de atrapamiento atómico superficiales. Los relojes iónicos, como el reloj iónico de aluminio y mercurio con atrapamiento simultáneo ^{[ 11 ],} confinan átomos ionizados, individualmente o en pequeñas cantidades, dentro de una trampa iónica profunda y bien aislada . ^{[ 12 ]} En especies atómicas con transiciones atómicas que no pueden detectarse con láseres convencionales, un segundo átomo con una transición accesible se atrapa simultáneamente y se acopla al estado interno del ion del reloj, transfiriéndose dicho estado a este átomo atrapado simultáneamente. Esta técnica se conoce como espectroscopia de lógica cuántica . ^{[ 13 ]} Los relojes que utilizan átomos neutros e ionizados constituyen la base de los relojes ópticos de última generación. Estos sistemas se caracterizan cuidadosamente para tener en cuenta los cambios en la frecuencia de resonancia de la transición atómica debido a perturbaciones electromagnéticas externas. ^{[ 14 ]} Se utilizan láseres y trampas magnetoópticas para enfriar los átomos y mejorar la precisión. ^{[ 15 ]}

Los relojes ópticos se basan en transiciones electrónicas estrechas en el dominio óptico. Estas transiciones incluyen cuadrupolo eléctrico ^{[ 16 ]} , octupolo eléctrico ^{[ 17 ]} y transiciones de inversión de espín ^{[ 18 ]} . La transición se utiliza como referencia de frecuencia para el láser del reloj. La longitud de onda requerida para que el láser del reloj alcance esta transición debe considerarse cuidadosamente al diseñar un reloj óptico. Por lo demás, especies atómicas muy prometedoras no se investigan ampliamente debido a transiciones de reloj inaccesibles, como el Th-229 y los iones altamente cargados. En ambos casos, la transición del reloj se encuentra muy lejos en el ultravioleta. La tecnología láser en estas longitudes de onda no es robusta y deben operarse en vacío porque el aire absorbe fuertemente la luz en este rango de frecuencia. Otra característica deseable es una estructura electrónica susceptible de enfriamiento láser . Si el átomo o ion no puede enfriarse de forma fiable con láser, debe ser atrapado junto con otra especie atómica fácilmente enfriable que pueda proporcionar enfriamiento simpático. ^{[ 5 ]} Otras características deseables incluyen propiedades que reducen el efecto de las perturbaciones de campos eléctricos y magnéticos externos, como una gran masa, y una fuente confiable a largo plazo que pueda sellarse al vacío durante años. ^{[ 19 ]}

El iterbio (Yb), un elemento de tierras raras, se valora no tanto por sus propiedades mecánicas sino por su conjunto de niveles de energía internos . «Una transición particular en los átomos de Yb, a una longitud de onda de 578 nm, proporciona actualmente uno de los estándares de frecuencia atómica óptica más precisos del mundo», afirmó Marianna Safronova. ^{[ 20 ]} La incertidumbre estimada alcanzada corresponde a aproximadamente un segundo a lo largo de la vida del universo hasta ahora, 15 mil millones de años, según científicos del Joint Quantum Institute (JQI) y la Universidad de Delaware en diciembre de 2012. ^{[ 21 ]}

El cambio teórico de las microondas como "escape" atómico para relojes a la luz en el rango óptico, más difícil de medir pero que ofrece un mejor rendimiento, le valió a John L. Hall y Theodor W. Hänsch el Premio Nobel de Física en 2005. Uno de los Premios Nobel de Física de 2012, David J. Wineland , es un pionero en la explotación de las propiedades de un solo ion atrapado para desarrollar relojes de máxima estabilidad. ^{[ 23 ]} El primer reloj de red óptica fue completado por Hidetoshi Katori en la Universidad de Tokio en 2003, quien había propuesto el concepto dos años antes. Otra versión del reloj óptico se completó en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en 2006, como resultado de un proyecto de investigación que había comenzado en 2000. ^{[ 24 ]}

En 2013 se demostró que los relojes de red óptica (OLC) eran tan buenos o mejores que los relojes de fuente de cesio. Dos relojes de red óptica que contenían aproximadamente10 000  átomos de estroncio-87 pudieron mantenerse sincronizados entre sí con una precisión de al menos1,5 × 10⁻¹⁶ , que es la máxima precisión que el experimento pudo medir. ^{[ 25 ]} Se ha demostrado que estos relojes mantienen la sincronización con los tres relojes de fuente de cesio del ^Observatorio de París . Hay dos razones para la posible mayor precisión. En primer lugar, la frecuencia se mide utilizando luz, que tiene una frecuencia mucho mayor que las microondas, y en segundo lugar, al utilizar muchos átomos, cualquier error se promedia. ^{[ 26 ]}

Utilizando átomos de iterbio-171 , se logró un nuevo récord de estabilidad con una precisión de1,6 × 10 ⁻¹⁸ durante un período de 7 horas fue publicado el 22 de agosto de 2013. Con esta estabilidad, los dos relojes de red óptica que funcionan independientemente uno del otro utilizados por el equipo de investigación del NIST diferirían menos de un segundo durante la edad del universo (13,8 × 10⁹ años  ); esto fue 10 veces mejor que experimentos anteriores. Los relojes se basan en 10 000 átomos de iterbio enfriados a ¹⁰ microkelvin y atrapados en una red óptica. Un láser a 578 nm excita los átomos entre dos de sus niveles de energía. ^{[ 27 ]} Habiendo establecido la estabilidad de los relojes, los investigadores están estudiando influencias externas y evaluando las incertidumbres sistemáticas restantes, con la esperanza de poder reducir la precisión del reloj al nivel de su estabilidad. ^{[ 28 ]} Un reloj de red óptica mejorado fue descrito en un artículo de Nature de 2014. ^{[ 29 ]}

En 2015, JILA evaluó la incertidumbre de frecuencia absoluta de un reloj de red óptica de estroncio-87 en2,1 × 10 ⁻¹⁸ , que corresponde a una dilatación del tiempo gravitacional medible para un cambio de elevación de 2 cm (0,79 in) en el planeta Tierra que, según Jun Ye, becario de JILA/NIST , está "muy cerca de ser útil para la geodesia relativista ". ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} Con esta incertidumbre de frecuencia, se espera que este reloj de red óptica de JILA no gane ni pierda un segundo en más de 15 mil millones de años. ^{[ 33 ] [ 34 ]}  

En 2017, JILA informó sobre un reloj experimental de red óptica de estroncio de gas cuántico 3D en el que los átomos de estroncio-87 están empaquetados en un pequeño cubo tridimensional (3D) a una densidad 1000 veces mayor que la de los relojes unidimensionales (1D) anteriores, como el reloj JILA de 2015. Una comparación entre dos regiones de la misma red 3D arrojó una precisión residual de5 × 10 ⁻¹⁹ en 1 hora de tiempo de promediado. ^{[ 35 ]} Este valor de precisión no representa la exactitud o precisión absoluta del reloj, que permanece por encima1 × 10 ⁻¹⁸ y1 × 10 ⁻¹⁷ respectivamente. La pieza central del reloj de red óptica de estroncio de gas cuántico 3D es un estado inusual de la materia llamado gas de Fermi degenerado (un gas cuántico para partículas de Fermi). Los datos experimentales muestran que el reloj de gas cuántico 3D alcanzó una precisión residual de3,5 × 10 ⁻¹⁹ en aproximadamente dos horas. Según Jun Ye, "esto representa una mejora significativa con respecto a cualquier demostración anterior". Ye comentó además que "el potencial más importante del reloj de gas cuántico 3D es la capacidad de aumentar el número de átomos, lo que conducirá a una enorme ganancia en estabilidad" y que "la capacidad de aumentar tanto el número de átomos como el tiempo de coherencia hará que este reloj de nueva generación sea cualitativamente diferente de la generación anterior". ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

En 2018, JILA informó que el reloj de gas cuántico 3D alcanzó una precisión de frecuencia residual de2,5 × 10 ⁻¹⁹ en 6 horas. ^{[ 39 ] [ 40 ]} Recientemente se ha demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar a mejorar aún más la estabilidad del reloj. ^{[ 41 ]}

En 2020 se investigaron relojes ópticos para aplicaciones espaciales como futuras generaciones de sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) como reemplazos de los relojes basados ​​en microondas. ^{[ 42 ]} El reloj de estroncio-87 de Ye no ha superado a los relojes ópticos de aluminio-27 ^{[ 43 ]} o iterbio-171 ^{[ 44 ]} en términos de precisión de frecuencia.

Consulte ^{[ 45 ]} para una revisión hasta 2020.

En febrero de 2022, científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison informaron sobre un reloj atómico óptico " multiplexado ", donde los relojes individuales se desviaban entre sí con una precisión equivalente a perder un segundo en 300 mil millones de años. La pequeña desviación reportada se explica porque los osciladores del reloj en cuestión se encuentran en entornos ligeramente diferentes. Esto provoca reacciones distintas a la gravedad, los campos magnéticos u otras condiciones. Este enfoque de red de relojes miniaturizados es novedoso, ya que utiliza una red óptica de átomos de estroncio y una configuración de seis relojes que se puede usar para demostrar la estabilidad relativa, la incertidumbre fraccionaria entre relojes y métodos para comparaciones de ultra alta precisión entre conjuntos de relojes atómicos ópticos ubicados cerca unos de otros en una instalación de metrología . ^{[ 46 ] [ 47 ]}

En junio de 2022, el Instituto Nacional de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (NICT) de Japón comenzó a utilizar un reloj de red óptica de estroncio para mantener la hora estándar de Japón (JST) incorporándolo al sistema de reloj de átomos de cesio existente y usándolo para ajustar la señal horaria . ^{[ 48 ]}

A partir de 2022, los relojes ópticos son principalmente proyectos de investigación y menos maduros que los estándares de microondas de rubidio y cesio, que regularmente proporcionan tiempo a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) para establecer el Tiempo Atómico Internacional (TAI) . ^{[ 49 ]} A medida que los relojes experimentales ópticos superan a sus contrapartes de microondas en términos de rendimiento de precisión y estabilidad, esto los coloca en una posición para reemplazar el estándar actual para el tiempo, el reloj de fuente de cesio. ^{[ 2 ] [ 50 ]} En el futuro, esto podría llevar a redefinir el segundo SI basado en microondas de cesio, y se requerirán otras nuevas técnicas de difusión con el nivel más alto de precisión para transferir señales de reloj que puedan usarse en comparaciones de corto y largo alcance (frecuencia) entre mejores relojes y para explorar sus limitaciones fundamentales sin comprometer significativamente su rendimiento. ^{[ 2 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]} El BIPM informó en diciembre de 2021 que, basándose en el progreso de los estándares ópticos que contribuyen a TAI, el Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia (CCTF) inició trabajos para una redefinición del segundo, prevista para la década de 2030. ^{[ 55 ]}

En julio de 2022, se demostraron en alta mar relojes ópticos atómicos basados ​​en moléculas de yodo a bordo de un buque de guerra, los cuales operaron de forma continua en el Océano Pacífico durante 20 días en el ejercicio RIMPAC 2022. ^{[ 56 ]} Estas tecnologías, financiadas originalmente por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, dieron lugar al primer reloj óptico comercial para montaje en rack del mundo en noviembre de 2023. ^{[ 57 ]}