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| Alexander Staron (izquierda), William McGehee y Gabriela Martínez, del NIST, trabajaron juntos en una nueva versión a escala de chip de un reloj de haz atómico, una diminuta fracción del tamaño del instrumento original que se muestra aquí. Crédito: R. Jacobson/NIST |
Investigadores del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST), en colaboración con investigadores del Georgia Tech, han desarrollado la primera versión a escala de chip de un reloj atómico. El nuevo reloj atómico en miniatura podría ofrecer una mejor cronometría a lo largo de semanas y meses en comparación con los sistemas actuales.
Los relojes atómicos existen desde la década de 1950 de una forma u otra. Son los dispositivos de cronometraje más precisos y exactos que se basan en las vibraciones de los átomos para medir el tiempo.
Adoptan muchas formas, pero el diseño más antiguo y uno de los más destacados se construye utilizando haces atómicos. Estos relojes funcionan enviando un haz de átomos a través de una cámara de vacío, midiendo su ritmo de tictac. Otros relojes pueden compararse con los relojes de haz atómico utilizando el preciso ritmo de tictac del átomo y ajustándose a su cronometraje.
Los relojes de haz atómico son precisos, estables y exactos, pero actualmente no son los más portátiles. Las cámaras de vacío por las que viajan los átomos son clave para el éxito de estos relojes, pero son voluminosas en parte debido al tamaño de la cavidad de microondas utilizada para sondear el tictac atómico. La cámara de vacío del NIST-7, el último reloj de haz utilizado para el patrón primario de frecuencias en Estados Unidos, medía más de 2,5 metros u 8 pies de largo. Los relojes comerciales más pequeños, del tamaño de un maletín, son habituales, pero siguen necesitando una gran cantidad de energía para funcionar.
En 2001, el NIST desarrolló relojes atómicos a escala de chip (CSAC) que consumen muy poca energía y pueden funcionar con pilas para proporcionar cronometraje en situaciones críticas donde el GPS no puede llegar. Sin embargo, el cronometraje de los relojes tiende a desviarse cuando cambian las temperaturas y el gas que rodea a los átomos se degrada. Se trata de una preocupación frecuente, dado que los CSAC suelen utilizarse en aplicaciones como la exploración submarina de petróleo y gas, la navegación militar e incluso las telecomunicaciones.
"¿Y si pudiéramos combinar los mejores aspectos de estos dos sistemas?", afirma William McGehee, físico del NIST.
Los investigadores utilizaron técnicas de microfabricación aprendidas de los CSAC para fabricar un dispositivo de haz atómico a escala de chip hecho a partir de una pila de capas de silicio y vidrio grabadas. Este dispositivo, del tamaño aproximado de un sello de correos, es una versión altamente miniaturizada de las cámaras que se han utilizado en relojes de haz atómico como el NIST-7.
El dispositivo contiene una cámara con una pequeña pastilla de rubidio. La cámara se calienta, liberando una corriente de átomos de rubidio a través de microcapilares, canales de sólo 100 micrómetros de ancho. Estos minúsculos canales se conectan a otra cámara con materiales capaces de recoger moléculas de gas individuales denominadas captadores no evaporables (NEG). Los NEG arrastran los átomos de rubidio y los recogen, manteniendo limpio el vacío de los microcapilares. Unas diminutas barras de grafito también ayudan a recoger los átomos extraviados que podrían afectar a las mediciones.
Actualmente, el dispositivo de haz a escala de chip es un prototipo de reloj de haz atómico en miniatura, con pruebas iniciales que muestran un rendimiento "a un nivel ligeramente peor que los CSAC existentes". Pero el equipo aún ve un camino hacia la mejora de la estabilidad. Esperan multiplicar por 10 su precisión y superar por 100 la estabilidad de los CSAC actuales en periodos semanales.
Fuentes, créditos y referencias: