¿Un Segundo puede dejar de ser un Segundo?: El Reloj Óptico de Estroncio

Si algo ha caracterizado al ser humano desde el origen de los tiempos, a parte del pensamiento racional, ha sido la búsqueda de instrumentos para la Medida del Tiempo. Si nos movemos en la línea cronológica de las invenciones en este campo podemos ver como el hombre ha intentado registrar el paso del tiempo desde los relojes de sol o arena, pasando por los modelos de engranajes y más recientemente con los electrónicos. El fin, en todos los casos era el mismo, ser capaces de obtener una medida lo más precisa posible, que escalara eso que llamamos minuto, segundo, hora, día, año...

El segundo es definido como "la duración de 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida en la transicion entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de Cesio, a una temperatura de cero Kelvin" Si nos fijamos en la definición, podemos ver como las magnitudes empleadas para definir el segundo se mueven en niveles de emisión de radiaciones, de transiciones de isótopos, se mueven en una precisión casi extrema. 

¿Existe algún modelo que nos permita reducir aún más la precisión en la medida del tiempo? 

El reloj atómico surgió a principios del siglo XX. Con el descubrimiento de las partículas atómicas se empezó a pensar en la idea de que la utilización de la oscilación producida por un átomo podía dar una medida mucho más precisa, aún más si lo que se analizaba era el periodo de oscilación de una partícula atómica. Fue entonces, cuando en 1948 el estadounidense Willard Frank Libby construyó el primer reloj atómico. Aunque es cierto que en un principio la precisión no era muy buena, este invento sirvió para comprobar que era posible utilización de la vibración atómica para la medida del tiempo. Aunque no fue hasta 1955 cuando el francés Louis Essen construyó el primer reloj atómico exacto, basado en las transiciones del átomo de Cesio-133. 

                                             ¿Cuál es el funcionamiento del Reloj Atómico?

El principio de funcionamiento de todos los relojes atómicos es el mismo, solamente cambia la sustancia que se utiliza para absorber la radiación magnética generada por el oscilador de microondas.  Los iones se presentan en dos estados dependientes del spin del último electrón del cesio. Estos estados presentan una frecuencia energética de 9192.631.779 Hz. 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 de ondas radioeléctricas. Cuando la frecuencia de la onda radiada se acopla con la frecuencia de la transición del cesio, estos absorben la radiación y emiten luz. Una célula fotoeléctrica captura el momento exacto de la emisión, dicha célula está conectada con un circuito que puede ajustar la frecuencia del radioemisor. Finalmente hay contador que registra las veces que el radiotransmisor emite onda en la frecuencia del cesio.

                         ¿Qué es el Reloj Atómico de Estroncio y qué novedades introduce?

Recientemente un equipo de investigadores franceses han presentado diversos resultados en los que tras cambiar el elemento utilizado en el reloj atómico, Cesio por Estroncio, se ha demostrado un aumento en la precisión para medir el tiempo, por lo que este tipo de instrumento podría llevar a la redefinición del segundo. 

En el experimento publicado en la revista Nature Communications, los expertos dirigidos por Jérome Lodewyck comprobaron la precisión de dos relojes atómicos de entramado óptico, que contrapusieron a los más comunes, "de fuente". Los relojes atómicos que se utilizan actualmente para medir estos procesos se basan en el sistema de fuente, en que se echan átomos al aire con láser, como si se tratara de una fuente convencional. Sin embargo, los científicos del Observatorio de París han demostrado la eficacia de otro tipo de reloj atómico basado en un entramado óptico, que captura átomos sirviéndose de la luz y los retiene lo suficiente como para hacer una medición detallada. En sus resultados los expertos construyeron dos relojes atómicos de entramado óptico de estroncio y hallaron que mantenían el tiempo entre ellos con mayor precisión que cuando se comparaban con tres relojes atómicos de fuente con átomos de cesio. 

No obstante, aunque los resultados por ahora parecen alentadores, los científicos reconocen que se necesitan más pruebas y mejoras del sistema antes de poder usar los relojes de entramado óptico para ofrecer una nueva definición del segundo. Además, se requerirían más comparaciones y de mayor escala entre relojes ópticos diseñados y construidos por varios institutos diferentes para explorar el potencial de estas nuevas posibilidades. Siendo la mayor incertidumbre la relativa a la naturaleza y a las mejoras técnicas para poder llevar este fin a cabo. 

Mientras no se consigan estas mejoras técnicas, los relojes de cesio continuarán midiendo el tiempo, aunque es evidente que la experiencia con el ion del estroncio es un primer paso para una nueva definición del segundo que mejoraría los servicios de navegación por satélite y permitirá sincronizar mejor los instrumentos de navegación de las naves espaciales.

                                                         ¿Cuáles son las Aplicaciones?

Los relojes atómicos han sido usados ampliamente en institutos de metrología, para tener registros de precisión del tiempo durante largos periodos, en organismos de defensa para ejecutar maniobras con exactitud milimétrica, por compañías de aviación y astronáutica para tener un registro fiable. Aunque últimamente su uso más moderno está relacionado con la instalación 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. 

Prometemos manteneros informados sobre las novedades de este nuevo hallazgo.

Nos vemos en la próxima entrada, hasta entonces... ¡¡¡¡¡ DISFRUTEN DE LA CIENCIA!!!!!