¿Cómo funciona un reloj atómico?

Tiene una precisión tal que pasarían 300 millones de años sin retrasarse ni un segundo.

Se trata de la máquina más precisa. Los relojes basados en las oscilaciones energéticas de los átomos de cesio adelantan o atrasan un segundo cada 300 millones de años. Tal exactitud resulta necesaria para el posicionamiento por GPS, la sincronización de los relojes oficiales y algunas investigaciones científicas.

Los relojes atómicos más comunes utilizan átomos de cesio ­133, un isótopo del cesio (es decir, que tiene los mismos protones en su núcleo que este, pero distinto número de neutrones). Simplificando mucho: lo que hacen estos dispositivos es alterar los estados de energía de los átomos de cesio mediante un bombardeo de microondas y calcular el tiempo que duran esos cambios de energía. Este proceso se repite con microondas emitidas en diferentes frecuencias.

La frecuencia que altera el estado de mayor número de átomos y maximiza su absorción de  radiaciones y su posterior emisión de fotones (es decir, sus cambios de energía) se considera la frecuencia natural de resonancia del átomo de cesio, y se usa para definir el segundo.

Así, este equivale a 9.192.631.770 ciclos de un átomo del isótopo cesio ­133. Cada ciclo corresponde a un cambio de energía atómico. La elevada cifra de ciclos que se detectan en un segundo da una idea de la extrema precisión de la medida y explica que los relojes atómicos sean imprescindibles para tecnologías que requieren la máxima exactitud, como el GPS y las relacionadas con mediciones astronómicas.

El reloj atómico de espacio profundo de la NASA, visto aquí en una ilustración de un artista, probará nuevas tecnologías para la navegación en el espacio profundo. /Crédito: NASA

 

Un reloj atómico en el espacio

El 24 de junio de 2019, la NASA lazó un nuevo reloj atómico en órbita en un Falcon Heavy. El Deep Space Atomic Clock, desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, es una actualización para los relojes atómicos que usamos aquí en la Tierra y para los relojes que ya vuelan en satélites como los que proporcionan GPS, tal y como publicó la web Live Science.

Este nuevo reloj atómico hará que la navegación de la nave espacial a objetos distantes en el espacio, por ejemplo en el viaje a Marte, sea más autónoma. La precisión en la medición de la posición de la nave espacial que los científicos esperan obtener con él permitirá a las naves que viajan en el espacio profundo actuar por su cuenta, sin mucha comunicación con la Tierra. Sería una gran mejora la forma en que se navega actualmente la nave espacial, según explicó la NASA en un comunicado.

Estos relojes usan distintos elementos: cesio, estroncio, hidrógeno, aluminio, mercurio... Los de cesio y estroncio son los más exactos. Tres se encuentran en Colorado (EE. UU.). Sobre la Tierra, hay centenares de estos aparatos en activo, y sus mediciones han permitido la creación del estándar tiempo atómico internacional (TAI), usado en todo el mundo.

 

Así funcionan

Pongamos por ejemplo un reloj atómico de cesio, que es una estructura con un tubo de vacío y compuesta de distintos elementos. Todo comienza con una fuente de estos átomos, que se encuentran en diferentes niveles de energía.

-      Láser A: los átomos de cesio pasan por un láser que disminuye al mínimo sus niveles de energía.

-      En la cámara de microondas, la radiación de microondas se emite en la frecuencia justa  para que los átomos que entren alcancen un estado excitado de energía.

-      El divisor de frecuencia reduce las altas frecuencias de las microondas (más de 9.000 millones de ciclos por segundo) para facilitar el recuento.

-      Imanes: Hay dos imanes a cada lado de la cámara de microondas. El primero garantiza que solo entren en ella átomos con poca energía. El segundo envía al detector los átomos recargados por el impacto de las microondas.

-      El servomecanismo cambia la frecuencia de las microondas en la cámara para poner el mayor número posible de átomos de cesio en estado de excitación, de forma que aumente la intensidad de la señal luminosa.

-      Láser B: Un segundo láser hace que los átomos en estado excitado de energía emitan luz.

-      Detector: El detector, situado al final del tubo de vacío, capta los fotones emitidos por los átomos excitados.

 

El primer reloj atómico de la historia

En 1949 se construyó el primer reloj atómico de la historia. Lo diseñó Harold Lyons para el Instituto Nacional de Patrones y Tecnología de EE. UU. (NIST). Este tipo de relojes son capaces de medir el tiempo en attosegundos, es decir, en la trillonésima parte de un segundo.

1 attosegundo = 0,000000000000000001 segundos

 

 

 

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