Un reloj atómico óptico logra una precisión reservada a la teoría

Ya en 1981, Hans Dehmelt, que recibiría más tarde el premio Nobel, ya había desarrollado las nociones básicas de cómo utilizar un ion guardado en una trampa de alta frecuencia para construir un reloj que podría alcanzar una --entonces increíblemente baja-- incertidumbre de medición relativa en el intervalo de 1E-18.

Desde entonces, un número creciente de grupos de investigación en todo el mundo han estado tratando de lograr esto con los relojes atómicos ópticos (ya sea a base de iones individuales o atrapados en muchos átomos neutros). Los científicos del PTB (Alemania) son ahora los primeros que han llegado a la línea de meta con un formato de ion único. Su reloj de iterbio óptico alcanzó una incertidumbre relativa en la medición sistemática de 3 E-18.

Los resultados se han publicado en la edición actual de la revista científica 'Physical Review Letters'.

La definición y la realización de la unidad SI de tiempo, el segundo, se basa actualmente en los relojes atómicos de cesio. Su "péndulo" se compone de átomos que se excitan en resonancia por la radiación de microondas (1E10 Hz). Es considerado seguro que una redefinición futura del segundo SI se basará en un reloj atómico óptico. Estos tienen una frecuencia de excitación considerablemente mayor (1E14 a 1E15 Hz), lo que los hace mucho más estables y precisos que los relojes de cesio.

La precisión ahora lograda con el reloj de iterbio es aproximadamente cien veces mejor que la de los mejores relojes de cesio. Para desarrollar su reloj, los investigadores de PTB explotaron las propiedades físicas particulares de Yb+. Este ion tiene dos transiciones de referencia que pueden utilizarse para un reloj óptico. Una de estas transiciones se basa en la excitación en el llamado "estado F", que, debido a su extremadamente larga vida útil natural (aproximadamente 6 años), proporciona resonancia excepcionalmente estrecha. Además, debido a la estructura electrónica particular del estado F, los cambios de la frecuencia de resonancia causadas por campos eléctricos y magnéticos son excepcionalmente pequeños.

La otra transición de referencia (en el estado de D3/2) muestra los cambios de frecuencia más altos y por lo tanto se usa como un "sensor" sensible para optimizar y controlar las condiciones de funcionamiento. Otra ventaja es que las longitudes de onda de los láseres necesarios para preparar y excitar Yb + se encuentran en un rango en el que se pueden utilizar láseres semiconductores fiables y asequibles.

El factor decisivo para el último salto en la exactitud fue la combinación de dos medidas: en primer lugar, un procedimiento especial fue concebido para la excitación de la transición de referencia. Con este procedimiento, el "cambio de luz" de la frecuencia de resonancia provocada por el láser excitante se mide por separado. Esta información se usa entonces para inmunizar a la excitación de la transición de referencia contra el cambio de la luz y su posible variación.

En segundo lugar, el desplazamiento de frecuencia causado por la radiación infrarroja térmica del medio ambiente (que es relativamente pequeño para el estado F de Yb + de todos modos) se determinó con una incertidumbre de medición de sólo el 3%. Para este propósito, el desplazamiento de frecuencia causado por la luz láser y su distribución de la intensidad en la ubicación del ion se midieron a cuatro longitudes de onda diferentes en el rango infrarrojo.

Otra propiedad particular del estado F del Yb + es la fuerte dependencia de la energía del estado en el valor de la constante de estructura fina (la constante fundamental elemental de interacción-ción electromagnética) y sobre los efectos de anisotropía en la interacción entre los electrones y cierto potencial de las formas de la llamada materia oscura, que desempeña un papel importante en el modelo estándar cosmológico actual. Las comparaciones entre los relojes + Yb y otros relojes ópticos de alta precisión son probablemente la forma más prometedora actual de verificar las teorías de esta zona de la "nueva física" en laboratorio.