Reló atómicu

Un reló atómicu ye un tipu de reló que p'alimentar el so contador utiliza una frecuencia de resonancia atómica normal. Los primeros relós atómicos tomaben la so referencia d'un máser.^[1] Les meyores referencies atómiques de frecuencia (o relós) modernes basar en físiques más avanzaes, qu'arreyen átomos fríos y fontes atómiques. Les axencies de normes nacionales caltienen una exactitú de 10^-9 segundos per día^[2] y una precisión igual a la frecuencia del tresmisor de la radio que bombia'l máser.

Los relós atómicos caltienen una escala de tiempu continua y estable, el Tiempu Atómicu Internacional (TAI). Pa usu cotidianu espublízase otra escala cronolóxica: el Tiempu Universal Coordináu (UTC). L'UTC deriva del TAI, pero sincronizar usando segundos d'intercalación col Tiempu Universal (UT1), que básase na transición día–noche según les observaciones astronómiques.

El primeru construyir nel Willard Frank Libby, de los EE. XX., en 1949, basándose n'idees alrodiu de un fenómenu desaxeradamente regular: la resonancia magnética molecular y atómica, d'Isidor Isaac Rabi, Premiu Nobel de Física,^[3] anque la precisión consiguida por aciu amoniacu —molécula utilizada pol prototipu del National Institute of Standards and Technology (NIST)— nun yera bien cimeru a los estándares de la dómina, basaos en osciladores de cuarzu.

Güei los meyores patrones de frecuencia atómicos basar nes propiedaes físiques de les fontes d'emisión de cesio. El primer reló atómicu de cesio construyir en 1955, nel National Physical Laboratory (NPL), n'Inglaterra. Los sos creadores fueron Louis Essen y John V.L Parry.^[4]

Nel añu 1967 los relós atómicos basaos en cesio consiguieren fiabilidá abonda como por que la Oficina Internacional de Peses y Midíes escoyera la frecuencia de vibración atómica de los dispositivos crear y perfeccionar por Essen como nuevu patrón base pa la definición de la unidá de tiempu físicu. Según esti patrón, un segundu corresponder con 9 192 631 770 ciclos de la radiación acomuñada a la transición hiperfina dende l'estáu de reposu del isótopu de cesio 133: (¹³³Cs).

La precisión alcanzada con esti tipu de reló atómicu ye tan elevada qu'almite namái un error d'un segundu en 30 000 años. El reló más precisu del mundu diseñar nel Observatoriu de París, onde los actuales relós atómicos tardaríen 52 millones d'años pa desfasase un segundu. El nuevu oxetivu de la investigación francesa ye aumentar esi plazu a 32 mil millones d'años. L'estándar actual de los relós atómicos n'activu dexa l'atrasu d'un segundu cada 3700 millones d'años (NIST).

Historia

Lord Kelvin suxirió per primer vegada en 1879 la idea d'utilizar la vibración atómica pa midir el tiempu. El métodu práuticu pa realizalo convertir na resonancia magnética, desenvuelta nel decenio de 1930 por Isidor Isaac Rabi.^[3] El primer reló atómicu foi un dispositivu de máser d'amoniacu construyíu en 1949 na Oficina Nacional de Normes de EE. XX. NBS, agora NIST). Yera menos exactu que los relós de cuarzu esistentes, pero sirvió pa demostrar el conceutu [2]. El primer reló atómicu exactu foi un estándar de cesio sobre la base d'una cierta transición del átomu de ¹³³Cs, construyíu por Louis Essen en 1955 nel Llaboratoriu Nacional de Física (Reinu Xuníu) [3]. La calibración del reló atómicu estándar de cesio efectuar por aciu la escala cronolóxica astronómica tiempu d'efemérides (TE) [4].

Esto condució a la más recién definición de segundu alcordada internacionalmente, pol Sistema Internacional d'Unidaes (SI), basada en tiempu atómicu. Verificóse que la igualdá del segundu ET cola del segundu SI (reló atómicu) ye d'una precisión de 1 parte en 10¹⁰ [5]. El segundu SI herieda asina l'efeutu de les decisiones de los diseñadores orixinales de la escala cronolóxica ET: tiempu d'efemérides, la determinación de la duración del segundu ET.

Mayu de 2009. El reló atómicu ópticu de estroncio JILA (sigles de Joint Institute for Laboratory Astrophysics) ye agora'l reló más exactu del mundu sobre la base d'átomos neutros. Un lluminosu láser azul nos átomos de estroncio ultrafríos nuna trampa óptica que prueba sobre la eficacia d'una esplosión previa de lluz d'un láser de color coloráu impulsó los átomos a un estáu escitáu. Namái los átomos que permanecen nel estáu de menor enerxía respuenden al láser azul y provoquen la fluorescencia que s'espresa equí. Fotografía: Sebastián Blatt, JILA, Universidá de Colorado [6].

Dende l'empiezu del desenvolvimientu nel deceniu de 1950, los relós atómicos fixéronse sobre la base hiperfina (microondes) de les transiciones en ¹H (hidróxenu 1), ¹³³Cs y ⁸⁷Rb (rubidiu 87). El primer reló atómicu comercial foi'l Atomichron fabricáu pola National Company. Vendiéronse más de 50, ente 1956 y 1960. A esta máquina, avolumada y cara, darréu la substituyeron dispositivos muncho más pequeños, de montaxe en rack, como'l modelu 5060 de Hewlett-Packard estándar, de frecuencia de cesio, llanzáu en 1964 [1].

A finales del deceniu de 1990, cuatro factores contribuyeron a importantes meyores nesti tipu de relós: [7]

• Enfriamientu láser y atrapáu d'átomos.

• Cuévanos d'alta finura de Fabry-Pérot pa llinies láser angostes.

• Espectroscopia láser de precisión.

• Un conveniente recuentu de frecuencies óptiques utilizando peñes ópticos.

N'agostu de 2004, científicos del NIST demostraron un reló atómicu de chips [8]. Según los investigadores, el tamañu del reló sería de la centésima parte de cualesquier otru. Tamién se proclamó que riquía namái 75 milivatios (mW), lo que ye aparente p'aplicaciones sofitaes n'enerxía a base de piles. Esta teunoloxía ta disponible comercialmente dende 2011 (SA.45s CSAC Chip Scale Atomic Clock. 2011. 24 de mayu de 2012).

En marzu de 2008, físicos del NIST demostraron un reló basáu en lóxica cuántica sobre mercuriu y sobre iones individuales d'aluminiu. Estos dos relós son les más exactos que se construyeron hasta la fecha. Nun s'atrasen, nin s'adelantren, a una velocidá qu'entepase en más d'un segundu en mil millones d'años [9].

Desenvolvimientos recién

A pesar d'ello, los físicos siguen esperimentando nueves variaciones con másers, de: a) hidróxenu (Townes); b) bombéu ópticu de rubidiu (Kasler); c) los apocayá propuestos de mercuriu, que dexaríen algamar mayor precisión. Tamién s'ameyora constantemente la precisión nos de cesio con láseres pa esfrecer los átomos, y la llograda nel últimu reló del NIST, el NIST-F1, puestu en marcha en 1999, que ye del orde d'un segundu en venti millones d'años.

N'agostu de 2004, científicos del NIST fixeron la primer demostración d'un reló atómicu del tamañu d'un circuitu integráu. Esto representa un reló cien veces menor que cualesquier otru construyíu hasta la fecha, que'l so consumu ye de namái 0,079 vatios.

Funcionamientu

El reló mecánicu depende d'un pendilexu pa funcionar. L'atómicu trabaya por aciu la frecuencia de les transiciones enerxétiques hiperfinas (nos rangos de microondes) nos átomos.

Nun estremu del reló de cesio hai un fornu con una placa de cesio, del cual se evaporan iones d'esti metal. Los iones presentar en dos estaos dependientes del espín o xiru (spin) del postreru electrón del cesio. La diferencia d'enerxía ente estos dos estaos correspuende a una frecuencia de 9 192 631 770 hercios (Hz). En cada estáu les propiedaes magnétiques de los iones son distintos. Tres la evaporación utilízase un imán pa dixebrar los iones y refugar los de mayor enerxía. Los iones de menor enerxía reasitiar nuna cámara.

El verdaderu reló ye un oscilador electrónicu que xenera pulsos d'una frecuencia ajustable. Afacer a la correspondiente a la transición hiperfina del cesio pol procesu de realimentación siguiente. Un radioemisor de microondes llena de manera uniforme'l cuévanu de la cámara con ondes radioeléctriques de la frecuencia del oscilador electrónicu. Cuando la frecuencia de la onda radiada acoplar cola frecuencia de la transición hiperfina del cesio, los iones de cesio absuerben la radiación y emiten lluz. Una celda fotoeléctrica ye sensible a la lluz emitida y ta coneutada al oscilador electrónicu con instrumentación electrónica.

Pa realizar la midida por aciu estes partícules ye necesariu crear un campu electromagnético que nun esiste naturalmente nel Universu. El procesu realízase dientro d'una trampa magnetu-óptica»: esfera del tamañu d'un melón, na cual inyéctense átomos de cesio que, confinaos nun campu magnético, arrobinen seis rayos de lluz láser. D'igual manera qu'una persona mengua'l so pasu ante una rabasera de vientu, los átomos amenorguen la so velocidá al ser bombardiaos polos láseres emitíos en toes direiciones. Por aciu esti métodu los átomos pueden amenorgar la so velocidá hasta faela 10 mil veces más lenta de lo normal. Cuando los átomos y los láseres topeten, fórmase una nube d'átomos bien lentos o ultrafríos.

Los usos más frecuentes de los relós atómicos son:

Redes de telefonía.
Sistemes d'Allugamientu Global (GPS).
Midida del tiempu.
Calibración d'equipos.

Investigación

La mayoría de les investigaciones centrar nos oxetivos, de cutiu contradictorios, de que los relós sían más pequeños, más baratos, más precisos y más confiables.

Les nueves teunoloxíes, tales como peñes de frecuencia de femtosegundu, redes óptiques ya información cuántica, dexaron crear prototipos de la próxima xeneración de relós atómicos. Estos básense na óptica, en cuenta de en transiciones de microondes. Una torga importante pal desenvolvimientu d'un reló ópticu ye la dificultá de midir direutamente les frecuencies óptiques. Esti problema resolvióse por aciu el desenvolvimientu de la autorreferencia en manera bloquiada de láseres, comúnmente conocida como peñes de frecuencia de femtosegundo.

Antes de la demostración del peñe de frecuencies nel añu 2000, yeren necesaries téuniques de terahercio pa salvar la distancia ente frecuencies de radio y óptiques. Los sistemes respeutivos yeren engarrosos y complicaos. En virtú del perfeccionamiento del peñe de frecuencies, estes midíes volviéronse muncho más accesibles, y en tol mundu tán desenvolviéndose numberosos sistemes de relós ópticos.

Tal como nel rangu de la radio, la espectroscopia d'absorción utilizar pa estabilizar un oscilador (nesti casu un láser). Cuando la frecuencia óptica estrémase escontra baxo nuna frecuencia de radio contable usando un peñe de femtosegundos, l'anchor de banda de la fase de ruiu estrémase tamién ente esi factor. Anque xeneralmente tal anchor de banda de la fase de ruiu del láser ye mayor que les fontes de microondes estables, dempués de la división ye menor.

Los dos sistemes primarios n'estudiu pa usu nos patrones de frecuencia óptica son iones aisllaos nuna trampa d'iones y átomos neutros atrapaos nuna rede óptica [12]. Estos dos téuniques dexen qu'en gran midida los átomos o iones aisllar de perturbaciones esternes, lo cual xenera una referencia de frecuencia desaxeradamente estable.

Relós ópticos. Yá llograron mayor estabilidá y menor incertidume sistemática que los meyores relós de microondes [12]. Esto asitiar nuna posición pa reemplazar l'estándar del tiempu: el reló de fonte de cesio.

Sistemes atómicos en considerancia inclúin Al¹⁺, Hg^{+ / 2+} [12], Hg, Sr, Sr^{+ / 2+}, In^{+ / 3+}, Mg, Ca, Ca⁺, Yb^{+ / 2+ / 3+} y Y.

Radiorrelojes

Un radiorreloj ye un reló que automáticamente afacer a la hora atómica per mediu de señales de radio oficiales recibíes por un receptor de radio. Munchos minoristes vienden radiorrelojes equivocadamente como «relós atómicos». Anque les señales de radio que reciben provienen de relós atómicos, éstos nun son relós atómicos puramente dichos. Apurren un mediu de llograr la hora d'alta precisión procedente d'un reló atómicu, nuna amplia zona, con un equipu baratu.

Magar les emisiones oficiales de la hora son en sí mesmes desaxeradamente precises, munchos radiorrelojes de consumu sincronizar namái una vegada al día, polo cual namái consiguen una precisión d'aproximao un segundu. Pa llograr ventayes de la exactitú total de les señales horaries recibíes, tienen d'utilizase preseos receptores con capacidá de graduación de la hora. Por cada 300 quilómetros (186 milles) de distancia ente'l tresmisor y el receptor hai un retrasu na señal d'aproximao 1 ms (un milisegundo).

Les señales horaries xeneraes nos relós atómicos espublizar por tresmisores d'onda llarga de radiu xestionaos polos gobiernos de munchos países, alredor del mundu, como DCF77 (Alemaña), HBG (Suiza), JJY (Xapón), MSF (Reinu Xuníu), TDF (Francia) y WWVB (Estaos Xuníos). Estes señales pueden recibise dende bien lloñe fora del so país d'orixe. Dacuando, pela nueche, la señal JJY puede captase inclusive n'Australia Occidental y Tasmania. Asina, hai bien poques rexones del mundu onde la hora precisa procedente de relós atómicos nun tea disponible.

Aplicaciones

Los relós atómicos utilizar pa xenerar les frecuencies estándar. Instalar nos sitios de señales de tiempu, LORAN-C, y tresmisores de navegación Alfa. ^{[ensin referencies]} Tamién s'instalaron en delles estaciones de radiodifusión d'ondes llarga y media, p'apurrir frecuencies de tresmisión bien precises, que tamién pueden funcionar como frecuencies estándar. ^{[ensin referencies]}

Amás los relós atómicos utilizar en interferometría de llinia de base llarga en radioastronomía. [11]

Los relós atómicos constitúin la base del sistema de navegación GPS. La hora del reló maestru GPS ye una media ponderada de los relós atómicos allugaos nes estaciones terrestres y de los asitiaos nos satélites GPS. Cada unu d'ellos ta dotáu de dellos relós atómicos.

Reló atómicu d'aluminiu

Físicos del National Institute of Standards and Technology (NIST) construyeron una versión ameyorada de reló atómicu esperimental basáu nun únicu átomu d'aluminiu. A febreru de 2009 ye'l reló más precisu, yá qu'en 3.700 millones d'años non gana, nin pierde, siquier un segundu.

Como la definición internacional de segundu (Sistema Internacional d'Unidaes) ta basada nel átomu de cesio, esti elementu permanez como regulador del intre del tiempu oficial. Polo tanto nengún otru reló pue ser más precisu que'l de cesio. [1]

Sistema d'allugamientu global

El sistema GPS apurre señales bien exactes d'hora y frecuencia. Un receptor GPS funciona midiendo'l tiempu de retrasu relativu de les señales de cuatro o más satélites GPS, cada unu con trés o cuatro reloj atómicos de cesio o de rubidiu a bordu. Los cuatro tiempos relativos tresfórmense matemáticamente en trés coordenaes de distancia absoluta y nuna coordenada de tiempu absolutu.

La precisión de la hora ye d'alredor de 50 nanosegundos (ns). Sicasí, receptores GPS pocu costosos probablemente nun asignen alta prioridá a l'actualización de la pantalla. Por ello la hora amosada puede diferir notablemente de la hora interna. Les referencies a la precisión de la hora qu'utilicen los GPS comercializar pa usu en redes informátiques, llaboratorios y redes de comunicaciones celulares. Caltienen la exactitú dientro del marxe d'alredor de 50 ns.

Ver tamién

Fuentes

Referencies

↑ D.B. Sullivan. «Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years». 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. NIST. p. 4-17.
↑ W. Markowitz. «Comparisons of ET(Solar), ET(Llunar), UT and TDT'». En A.K. Babcock, G.A. Wilkins. The Earth's Rotation and Reference Frames for Geodesy and Geophysics, International Astronomical Union Symposia #128. pp. 413–418. Nes páxines 413–414 infórmase que'l segundu internacional ye igual al segundu de tiempu universal determináu por observaciones llunares, depués de verificar la rellación, a una parte en 10¹⁰.
↑ ^3,0 ^3,1 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): páxs. 74. http://tf.nist.gov/xeneral/pdf/2039.pdf.
↑ L. Essen, J.V.L. Parry (1955). «An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator». Nature 176: páxs. 280. doi:10.1038/176280a0.

Enllaces esternos

Tictac, reló atómicu Archiváu 2017-02-13 en Wayback Machine
Relós atómicos espeluznantes Archiváu 2016-03-08 en Wayback Machine

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

[2] W. Markowitz. «Comparisons of ET(Solar), ET(Llunar), UT and TDT'». En A.K. Babcock, G.A. Wilkins. The Earth's Rotation and Reference Frames for Geodesy and Geophysics, International Astronomical Union Symposia #128. pp. 413–418. Nes páxines 413–414 infórmase que'l segundu internacional ye igual al segundu de tiempu universal determináu por observaciones llunares, depués de verificar la rellación, a una parte en 10¹⁰.

[Lombardi-3] 3,0 ^3,1 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): páxs. 74. http://tf.nist.gov/xeneral/pdf/2039.pdf.

[4] L. Essen, J.V.L. Parry (1955). «An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator». Nature 176: páxs. 280. doi:10.1038/176280a0.

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