Reloj atómico

Reloj atómico
El reloj atómico de cesio "CS 4" del Physikalisch-Technische Bundesanstalt en Braunschweig se puso en funcionamiento en 1992. Ha sido una exhibición en el Braunschweigisches Landesmuseum desde 2005 .
Sistema de haz atómico del reloj atómico de cesio CS 1 en el Deutsches Museum Bonn

Un reloj atómico es un reloj cuyo ciclo de tiempo se deriva de la frecuencia característica de las transiciones de radiación de los electrones de los átomos libres. La visualización de la hora de un reloj de referencia se compara continuamente con el reloj y se ajusta. Los relojes atómicos son actualmente los relojes más precisos y también se denominan relojes primarios .

Los valores medidos de más de 400 relojes atómicos en más de 60 institutos de tiempo repartidos por todo el mundo se comparan mediante comparaciones de tiempo por GPS , y ahora cada vez más se utilizan comparaciones bidireccionales de tiempo y frecuencia (TWSTFT). Los resultados se envían a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), que forma un promedio ponderado de ellos, que es la base del Tiempo Atómico Internacional (TAI) publicado por BIPM.

Los conceptos básicos del reloj atómico fueron desarrollados por el físico estadounidense Isidor Isaac Rabi de la Universidad de Columbia , quien recibió el Premio Nobel de Física por esto en 1944 . Otro premio Nobel en relación con los relojes atómicos fue otorgado en 1989 al físico estadounidense Norman Ramsey por la mejora de la tecnología de medición en las transiciones de energía atómica.

funcionalidad

Cuanto más constante sea la oscilación de su generador de reloj, más precisamente los relojes pueden indicar la hora. En el caso de los relojes de la rueda, este es el péndulo o la equilibrio de la rueda , en el caso de un reloj de cuarzo , es un cuarzo oscilante que mantiene la frecuencia de un oscilador de cuarzo constante. Los relojes atómicos hacen uso de la capacidad de los átomos para emitir o absorber ondas electromagnéticas de una determinada frecuencia al pasar entre dos estados de energía.

En un reloj atómico, un oscilador de cuarzo con compensación de temperatura genera un campo electromagnético alterno al que están expuestos los átomos. A una frecuencia muy específica , los átomos absorben mucha energía y la irradian en otras direcciones. Esta resonancia se utiliza para mantener la frecuencia del oscilador de cristal extremadamente estable por medio de un bucle de control : si la frecuencia se desvía de la resonancia, esto se reconoce. La frecuencia del oscilador de cristal se ajusta en consecuencia para encontrar de nuevo la frecuencia de resonancia de los átomos. La estabilidad de la resonancia en sí determina ahora la estabilidad de frecuencia de la señal de salida. Finalmente, se lee la señal horaria del reloj de cuarzo.

Historia y desarrollos

Antes del desarrollo de los relojes atómicos, el reloj de péndulo de precisión de Riefler era el reloj más preciso con una precisión de ± 4mi-4 s / día. ElObservatorio de la Universidad de Munichrecibió el primero de estos relojesel 27 de julio de 1891. Se utilizó en más de 150 observatorios de todo el mundo. En 1965 se hicieron un total de 635 copias. Hasta el día de hoy se ha mantenido como el reloj mecánico más preciso.

Louis Essen y JVL Parry muestran el reloj de cesio

Basándose en sus investigaciones sobre los procesos de resonancia magnética llevadas a cabo en la década de 1930, el físico estadounidense Isidor Isaac Rabi sugirió la construcción de un reloj atómico en 1945 . Harold Lyons construyó un primer reloj atómico en 1949 en la Oficina Nacional de Estándares (NBS) en los Estados Unidos utilizando moléculas de amoníaco como fuente de vibración . Sin embargo, dado que aún no proporcionaba la ganancia esperada en precisión, el reloj se revisó tres años más tarde y se convirtió para usar átomos de cesio . Fue nombrado NBS-1 .

A 1955 le siguió un reloj de cesio aún más preciso del físico Louis Essen y JVL Parry en el Laboratorio Nacional de Física de Gran Bretaña.

Debido a los excelentes resultados de frecuencia de estos relojes, la hora atómica se definió como el estándar internacional para el segundo. Desde octubre de 1967 la duración de un segundo en el sistema internacional de unidades es por definición […] 9.192.631.770 veces el período de radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental de los átomos del nucleido 133 Cs .

A lo largo de los años, la precisión de los relojes atómicos ha aumentado. A fines de la década de 1990, se logró una desviación estándar relativa del segundo SI ideal de alrededor de 5 · 10 −15 , y para 2018 ya era de 10 −16 . Con los relojes ópticos, la precisión se puede mejorar en dos órdenes de magnitud; sin embargo , no permiten una realización más precisa del segundo SI porque no se basan en la transición HFS del cesio y, por lo tanto, solo pueden servir como estándares secundarios.

Relojes atómicos de alta precisión

Cesio , rubidio , hidrógeno y, más recientemente, estroncio son los átomos más comunes con los que se operan los relojes atómicos. La tabla compara sus propiedades. A modo de comparación, se incluyen los valores para un oscilador de cuarzo calentado, el llamado horno de cuarzo (OCXO) y el amoníaco.

Escribe Frecuencia de trabajo
en MHz 		Desviación estándar relativa de
relojes típicos
Horno de cuarzo (OCXO) 000 000 005 a 10 10 - 08
NH 3 000 023 786 10 −11
133 C 000 009192.631 77 nota 1 10 −13
87 Rb 000 006834,682 610 904 324 10 -15
1 H. 000 001.420.405.751 77 10 -15
Reloj atómico óptico ( 87 estroncio) 429 228 004,229 874 10 −17

Además del cesio, el rubidio y el hidrógeno, también se utilizan otros átomos o moléculas para los relojes atómicos.

Fuente de cesio

NIST-F1, fuente oficial de cronometraje de EE. UU.

En los relojes atómicos más nuevos, se trabaja con átomos desacelerados térmicamente para aumentar la precisión. En la "fuente de cesio" (Engl.: Fuente de cesio ) los átomos de cesio se enfrían mucho a ella que sólo alrededor de un centímetro por segundo son rápidos. A continuación, los átomos lentos se aceleran hacia arriba con un láser y recorren una trayectoria balística (de ahí el término fuente de cesio ), lo que permite extender el tiempo de interacción efectivo de los átomos con las microondas radiadas, lo que permite una determinación de frecuencia más precisa. La desviación estándar relativa de la fuente de cesio NIST-F1 fue de sólo 10-15 en 1999 ; Para 2018, la precisión se había incrementado a 10-16 , lo que corresponde a una desviación de un segundo en 300 millones de años.

Reloj óptico

La frecuencia de una resonancia atómica se mide en un reloj atómico. Cuanto mayor sea la frecuencia de la resonancia, más precisa será. La luz visible tiene una frecuencia unas 50.000 veces superior a la radiación de microondas utilizada en el cesio. Por esta razón, un reloj atómico que funcione con resonancia óptica puede ser significativamente más preciso. Por ello, desde hace varios años se trabaja en la implementación de un reloj atómico óptico más preciso que los relojes de cesio actualmente en uso.

Para ello, se realizan experimentos con elementos que tienen transiciones adecuadas en longitudes de onda ópticas. Esto permite alcanzar frecuencias de cientos de terahercios en lugar de los 9 GHz convencionales. En estos experimentos, los átomos individuales se almacenan en una jaula de iones . Un láser se estabiliza en una transición de banda estrecha. La estabilidad de la frecuencia de esta luz láser se transfiere luego a una señal eléctrica periódica sin pérdida de precisión. Esto se logra con un peine de frecuencia . La frecuencia habitual de la señal eléctrica es de 10 MHz.

Los relojes atómicos basados en celosías ópticas fueron introducidos en 2001 por Hidetoshi Katori (Reloj de celosía óptica), quien los demostró en 2003 y los desarrolló con una relativa inexactitud en la medición del tiempo de 10-18 .

En febrero de 2008, físicos de JILA en Boulder (Colorado) presentaron un reloj atómico óptico basado en 87 átomos de estroncio polarizados en espín , que están atrapados en una rejilla de luz láser . Con la ayuda de su peine de frecuencia portátil, el PTB logró verificar una frecuencia de 429.228.004.229.874 ± 1 Hz. El disco fue al principio de 2008 a 10 -17 , medida en un átomo de aluminio ultracooled.

En agosto de 2013, en colaboración con NIST en el mismo instituto, la precisión (que no debe confundirse con exactitud ) de un reloj atómico óptico podría mejorarse a 10-18 . Esto se logró comparando dos relojes idénticos, que se basan en átomos de espín polarizados como se indicó anteriormente, pero aquí en aproximadamente 1.000 átomos de iterbio cada uno . El mayor número de átomos permite una determinación comparativamente rápida de la precisión de los relojes promediando los datos de medición.

Al nivel de precisión alcanzado, se hacen visibles multitud de efectos que influyen en la frecuencia observada. Éstos incluyen B. el efecto Zeeman , la interacción de colisión entre los átomos, el efecto AC-Stark o el corrimiento al rojo gravitacional .

En julio de 2012, China presentó por primera vez un reloj óptico basado en iones de calcio desarrollado en la Academia de Ciencias de Wuhan . Después de Estados Unidos, Alemania, Gran Bretaña, Francia, Canadá, Austria y Japón, China se convirtió en el octavo país que puede desarrollar relojes ópticos.

Relojes atómicos de pequeño formato para uso práctico

Reloj atómico a escala de chip de NIST

Otra línea de desarrollo además de los relojes de alta precisión es la construcción de relojes económicos, pequeños, más ligeros y que ahorran energía, p. Ej. B. para uso en satélites de sistemas de navegación por satélite como GPS , GLONASS o Galileo , con el fin de aumentar la precisión de posicionamiento . En 2003 fue posible construir un reloj atómico de rubidio que solo ocupa un volumen de 40 cm³ y consume una potencia eléctrica de un vatio. Al hacerlo, alcanza una desviación estándar relativa de aproximadamente 3 · 10 −12 . Esto corresponde a una desviación de un segundo en 10,000 años. Esto significa que el reloj es mucho más inexacto que los grandes relojes atómicos estacionarios, pero considerablemente más preciso que un reloj de cuarzo. (Los relojes de cuarzo precisos sin compensación de temperatura tienen una desviación de alrededor de un segundo en un mes. En comparación con estos, este pequeño reloj atómico es 120.000 veces más preciso).

Los relojes máser de hidrógeno para estimular la oscilación también son muy precisos, pero más difíciles de operar. El primer máser de hidrógeno en órbita terrestre fue transportado a órbita en el satélite de navegación Galileo Giove-B el 27 de abril de 2008 como base de tiempo para la determinación de la ubicación.

Relojes atómicos en circuitos integrados

En 2011, un Reloj Atómico Chip Scale (CSAC) portátil con un volumen de 17 cm³ llegó al mercado civil a un precio de $ 1500.

En 2018, se publicaron resultados de investigación en el MIT que describen un reloj atómico integrado en el rango de subterahercios basado en sulfuro de carbonilo .

Reloj atómico

Se espera un aumento adicional en la precisión de un reloj que usa el nivel excitado de un núcleo atómico en lugar de la capa atómica . El núcleo atómico es unas diez mil veces más pequeño que la capa de electrones y, por lo tanto, mucho menos susceptible a los campos de interferencia electromagnética. Para que el nivel pueda excitarse con luz láser, la energía de excitación debe ser solo de unos pocos electronvoltios , un valor extremadamente pequeño para los núcleos. El único candidato conocido para esto, un nivel en el nucleido torio-229 , se midió con tanta precisión en septiembre de 2019 que la construcción de un reloj nuclear más preciso podría pasar al reino de las posibilidades.

Uso en Alemania, Austria y Suiza

Reloj atómico CS2 del PTB

En Alemania, cuatro relojes atómicos están en funcionamiento en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig , incluidas dos "fuentes de cesio" en funcionamiento regular. El reloj de cesio CS2 ha estado proporcionando el estándar de tiempo para los segundos del tiempo legal desde 1991 . Los relojes de radio pueden recibir esta hora a través del transmisor de señal horaria DCF77 ; también está disponible en Internet a través de NTP .

En Austria , la Oficina Federal de Metrología y Topografía (Laboratorio de Frecuencia, Tiempo) opera varios relojes atómicos. El reloj maestro proporciona UTC (BEV). Las computadoras pueden recibir este tiempo de los servidores de Stratum 1 a través del NTP.

Fuente de cesio METAS FOCS-1

En Suiza , el Laboratorio de Tiempo y Frecuencia de la Oficina Federal de Metrología (METAS) opera varios relojes atómicos con los que se mantiene la hora atómica suiza TAI (CH) y se calcula la hora mundial suiza UTC (CH). Esto se puede consultar a través de Internet utilizando el protocolo NTP . Hasta 2011, los relojes de radio también podían recibir esta señal horaria a través del transmisor de señal horaria HBG .

Áreas de aplicación

Los relojes atómicos se utilizan por un lado para la medición del tiempo exacto de los procesos, por otro lado para la determinación del tiempo exacto y la coordinación de diferentes sistemas y escalas de tiempo. Por lo tanto, el tiempo atómico designado internacionalmente (TAI) con el tiempo astronómico (producido, por ejemplo, al hacer coincidir UT1 ), el tiempo universal coordinado (UTC). En Europa Central, los relojes de radio reciben la señal horaria basada en UTC a través del transmisor DCF77 estacionado en Alemania . La contraparte británica es el canal MSF .

Ejemplos de aplicación

  • El modelo de reloj de cesio 5071A, desarrollado originalmente por Hewlett-Packard y luego vendido por Agilent, luego Symmetricom y finalmente Microsemi, se utiliza en muchos institutos de normalización de todo el mundo. B. en el laboratorio del reloj atómico del Observatorio Naval de Estados Unidos .
  • En el Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), parte del laboratorio espacial Columbus , se probarán dos relojes atómicos de cesio para su uso en Galileo.
  • Los relojes de rubidio se pueden fabricar en dimensiones compactas y de forma económica. Se utilizan en los sectores de telecomunicaciones, suministro de energía y calibración en la industria. Un modelo muy sofisticado funciona en la última generación de satélites en el sistema de navegación GPS.
  • Un oscilador de rubidio estabilizó la frecuencia portadora de la estación de radio de onda larga Donebach .
  • Los impulsos de tiempo de numerosos relojes atómicos están disponibles gratuitamente para todos en Internet utilizando el Protocolo de tiempo de red (NTP).
  • Los relojes de rubidio se utilizan en generadores de word clock de alta calidad para sincronizar grupos de dispositivos de audio digital entre sí.

literatura

  • C. Audoin y J. Vanier: Estándares y relojes de frecuencia atómica . Revista de física E: Scientific Instruments, 1976.
  • Rexmond D. Cochrane: Medidas para el progreso: una historia de la Oficina Nacional de Estándares . Departamento de Comercio de Estados Unidos, Washington DC 1966.

enlaces web

Commons : reloj atómico  - colección de imágenes, videos y archivos de audio
Wikcionario: reloj atómico  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

Evidencia individual

  1. ↑ Cuatro relojes PTB primarios contribuyen a la hora mundial. (Ya no está disponible en línea). PTB, abril de 2010, archivado desde el original el 8 de diciembre de 2015 . ;
  2. ↑ Hora Atómica Internacional (TAI) timeanddate.de
  3. ↑ Comparaciones de tiempo de GPS en el sitio web de PTB
  4. ↑ Comparaciones bidireccionales de tiempo y frecuencia (TWSTFT) en el sitio web de PTB
  5. ↑ Time: productos clave del Departamento de tiempo de BIPM en el sitio web de BIPM
  6. ↑ Fritz von Osterhausen: léxico de Callweys . Callwey, Múnich 1999, ISBN 978-3-7667-1353-7 . P. 24
  7. ↑ a b c Funcionalidad y realizaciones técnicas típicas de los relojes atómicos . Grupo de trabajo 4.41 del PTB. 11 de junio de 2015. Consultado el 26 de abril de 2016.
  8. ↑ a b c Una breve historia de los relojes atómicos en NIST . NIST. Consultado el 12 de diciembre de 2010.
  9. ↑ La historia de la unidad de tiempo / La definición de segundos a partir de 1967 . Grupo de trabajo 4.41 del PTB. 2003. Consultado el 13 de diciembre de 2010.
  10. ↑ a b c Informe de la 26a Conferencia General de Pesas y Medidas , 2018, página 70 (francés) y página 347 (inglés), consultado el 7 de octubre de 2020
  11. ↑ Documento BIPM (PDF; 207 kB)
  12. ↑ Medida de la frecuencia de un reloj atómico óptico y su transmisión vía fibra de vidrio , PTB. 2007. Consultado el 13 de diciembre de 2010. 
  13. ↑ Michael Banks: El nuevo reloj óptico promete una mayor precisión (en) . En: physicsworld.com , 5 de octubre de 2008. Archivado desde el original el 19 de octubre de 2011. Recuperado el 12 de diciembre de 2010. 
  14. ↑ N. Hinkley, JA Sherman, NB Phillips, M. Schioppo, ND Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, CW Oates, AD Ludlow: Un reloj atómico con 10-18 inestabilidad. En: Ciencia. 341, 2013, págs. 1215-1218, doi: 10.1126 / science.1240420 .
  15. ↑ Primer reloj óptico único de China. ( Recuerdo del 15 de julio de 2012 en Internet Archive ). Xinhua, 12 de julio de 2012.
  16. ↑ Giove-B lanzado con éxito , Centro Aeroespacial Alemán . 27 de abril de 2008. Consultado el 12 de diciembre de 2010. 
  17. ^ Comunicados de prensa de Sandia Labs. Sandia National Laboratories, 2 de mayo de 2011, consultado el 28 de abril de 2013 .
  18. ^ C. Wang, X. Yi, J. Mawdsley et al.: Un reloj molecular totalmente electrónico en chip basado en espectroscopía rotacional sub-terahercios. Nat Electron 1, 421-427 (2018). https://doi.org/10.1038/s41928-018-0102-4
  19. ↑ Nadja Podbregar: Primer paso hacia el reloj del núcleo atómico. En: scinexx.de. 13 de noviembre de 2019, consultado el 4 de octubre de 2020 .
  20. ↑ Benedict Seiferle, Lars von der Wense, Pavlo V. Bilous, Ines Amersdorffer, Christoph Lemell, Florian Libisch, Simon Stellmer, Thorsten Schumm, Christoph E. Düllmann, Adriana Pálffy y Peter G. Thirolf: Energía de la transición del reloj nuclear 229 Th . En: Naturaleza . cinta 573 , 2019, pág. 243-246 , doi : 10.1038 / s41586-019-1533-4 . , vea también espejo en línea
  21. ↑ Takahiko Masuda, Koji Yoshimi, Akihiro Fujieda: Bombeo de rayos X del isómero del reloj nuclear 229 Th . En: Naturaleza . Nacido en 2019, No. 573 , 12 de septiembre de 2019, pág. 238–242 , doi : 10.1038 / s41586-019-1542-3 (inglés).
  22. ↑ nuClock - proyecto para desarrollar un reloj atómico
  23. ↑ ¿ Desde cuándo funciona el primer reloj atómico en PTB? PTB, noviembre de 2010 .;
  24. ↑ Relojes especiales: el reloj más preciso de Suiza . En: swissworld.org . Presencia Suiza. Consultado el 13 de diciembre de 2010.
  25. ↑ Reloj de cesio modelo 5071A: sitio web del fabricante Microsemi