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| Uno de los primeros pasos para crear los relojes atómicos ópticos utilizados en este estudio es enfriar los átomos de estroncio hasta casi el cero absoluto en una cámara de vacío, lo que hace que aparezcan como una bola azul brillante que flota en la cámara. Crédito: Shimon Kolkowitz |
Los relojes atómicos son relojes que se utilizan para seguir las resonancias de las frecuencias de los átomos, normalmente los átomos de cesio o rubidio. Los relojes funcionan siguiendo el nivel de energía de los electrones.
Los relojes atómicos aprovechan una propiedad fundamental de los átomos: Un electrón emite o absorbe luz con una frecuencia que cambia su nivel de energía. Esta frecuencia es idéntica para todos los átomos de un elemento concreto.
Recientemente, unos físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han anunciado el descubrimiento de uno de los relojes atómicos de mayor rendimiento de la historia. Han bautizado su instrumento como reloj atómico de red óptica.
Su nuevo instrumento puede seguir las diferencias de tiempo con una precisión equivalente a perder sólo un segundo cada 300.000 millones de años. Es el primer ejemplo de reloj óptico "multiplexado", en el que existen seis relojes distintos en el mismo entorno.
Gracias a su diseño, los científicos podrían probar formas de buscar ondas gravitacionales. También podría detectar materia oscura y descubrir nueva física con relojes.
Shimon Kolkowitz, profesor de física de la UW-Madison y autor principal del estudio, dijo: "Los relojes ópticos de celosía ya son los mejores relojes del mundo, y aquí conseguimos este nivel de rendimiento que nadie ha visto antes. Estamos trabajando tanto en la mejora de su rendimiento como en el desarrollo de nuevas aplicaciones que permitan este rendimiento mejorado."
A diferencia de un reloj atómico óptico que utiliza un láser de lo más sofisticado para mantener el tiempo, este nuevo reloj atómico de celosía óptica utiliza un láser relativamente pésimo.
Los físicos también informaron sobre el reloj multiplexado en su nuevo estudio. En este reloj multiplexado, los átomos de estroncio pueden separarse en múltiples relojes dispuestos secuencialmente en una cámara de vacío. Acaban de utilizar un reloj atómico para identificar si su láser puede excitar de forma fiable los electrones del mismo número de átomos durante una décima de segundo.
El equipo hizo brillar un láser sobre dos relojes de la cámara simultáneamente y los comparó. Comprobaron que el número de átomos con electrones excitados se mantenía igual entre los dos relojes durante un máximo de 26 segundos.
Los resultados indican que los científicos podrían realizar experimentos significativos durante mucho más tiempo del que su láser permitiría en un reloj óptico normal.
Según Kollwitz, "normalmente, nuestro láser limitaría el rendimiento de estos relojes. Pero como los relojes están en el mismo entorno y experimentan la misma luz láser, el efecto del láser desaparece por completo".
A continuación, el equipo determinó con qué precisión podían medir las diferencias entre los relojes. Para ello, realizaron su experimento más de mil veces, midiendo la diferencia en la frecuencia del tictac de sus dos relojes durante un total de unas tres horas.
Descubrieron que el tictac era ligeramente diferente porque los relojes estaban en dos lugares ligeramente diferentes.
Los científicos pudieron detectar una diferencia en la frecuencia de tictac entre los dos relojes que correspondería a que estuvieran en desacuerdo el uno con el otro por sólo un segundo cada 300.000 millones de años, una medida de precisión horaria que establece un récord mundial para dos relojes espacialmente separados.
En otro estudio, un grupo de científicos dirigido por el JILA detectó una diferencia de frecuencia entre la parte superior y la inferior de una nube dispersa de átomos unas diez veces mejor que el grupo de la UW-Madison. Sus resultados, obtenidos a una separación de un milímetro, también representan la distancia más corta hasta la fecha en la que se ha probado la teoría de la relatividad general de Einstein con relojes.
Kollwitz afirmó: "Lo sorprendente es que hemos demostrado un rendimiento similar al del grupo del JILA a pesar de que utilizamos un láser de un orden de magnitud peor. Eso es significativo para muchas aplicaciones del mundo real, donde nuestro láser se parece mucho más a lo que se llevaría al campo".
Fuentes, créditos y referencias:
Shimon Kolkowitz, Differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04344-y. www.nature.com/articles/s41586-021-04344-y
Related: Tobias Bothwell, Resolving the gravitational redshift in a millimetre-scale atomic sample, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04349-7. www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7
Fuente: Universidad de Wisconsin-Madison