Un reloj atómico de cesio, el más preciso del mundo a largo plazo

Un reloj de cesio que marca la hora atómica en el Reino Unido es ahora el medidor de tiempo más preciso a largo plazo del mundo, según una nueva evaluación del reloj que se publicará el próximo mes de octubre en la revista científica internacional 'Metrologia'.

Los autores de la evaluación son un equipo de físicos del Laboratorio Nacional de Física (NPL, por sus siglas en inglés) en el Reino Unido y la Universidad Estatal de Pennsylvania, en los Estados Unidos.

El reloj pertenece a un grupo de relojes de cesio de élite, creados por laboratorios de tiempo en Europa, Estados Unidos y Japón, como su estándar nacional de frecuencia para la medición del tiempo.

Estas normas nacionales se utilizan para producir el Tiempo Atómico Internacional y el Tiempo Universal Coordinado, utilizados como escalas de tiempo en todo el mundo para procesos tales como la comunicación global, la navegación por satélite y la topografía, y para el sellado de tiempo de las transacciones informáticas entre los mercados financieros y bursátiles. Los métodos utilizados para mejorar el reloj del Reino Unido también se pueden utilizar para evaluar los relojes de fuente de cesio de otros países.

"Las mejoras que describe nuestro trabajo han reducido significativamente las dos mayores fuentes de incertidumbre de medición del reloj de fuente de cesio: el efecto Doppler y el cambio de frecuencia de las lentes microondas", ha explicado el líder del proyecto Krzysztof Szymaniec. Otros autores del artículo son Ruoxin Li y el profesor de física Kurt Gibble. Los físicos evaluaron la actualización reciente del reloj con mediciones físicas y modelos matemáticos desarrollados en la Universidad Estatal de Pensilvania.

"Kurt Gibble, en Pensilvania, realizó importantes contribuciones en el campo de los patrones de frecuencia principal en el desarrollo de modelos para los efectos sistemáticos en los relojes ", ha indicado Szymaniec, y ha añadido que "la incertidumbre de estos efectos, ahora reducida por varios de los nuevos modelos y cálculos numéricos proporcionados por el grupo de Gibble, han sido verificada en el Laboratorio Nacional de Física, y también por el grupo de París".

"Junto con otras mejoras de la fuente de cesio, estos modelos y cálculos numéricos han mejorado la precisión del reloj del Reino Unido mediante la reducción de la incertidumbre hasta el valor más bajo hasta el momento", ha precisado.

Los científicos estiman la precisión de un reloj de fuente de cesio mediante la evaluación de la incertidumbre de todos los efectos físicos que causan cambios en la frecuencia de funcionamiento del reloj, incluyendo las interacciones atómicas con los campos externos, las colisiones entre átomos, y la construcción de los subsistemas del reloj atómico, tales como su cavidad de microondas. Las dos fuentes principales de estas incertidumbres son los cambios de frecuencia causados por el efecto Doppler y las lentes microondas. "Una de las mejoras que nuestro modelo aporta es una mejor comprensión del efecto Doppler que se produce en los relojes de fuente de cesio", ha señalado Gibble.

La otra gran fuente de incertidumbre de la medición --las lentes microondas-- es el resultado de las fuerzas que las microondas ejercen sobre los átomos para medir la longitud de un segundo. "Un acuerdo internacional sobre la definición de un segundo es de fundamental importancia en la medición del tiempo", ha explicado Szymaniec, detallando que la duración de un segundo, por acuerdo internacional, es la "frecuencia de transición entre dos subniveles de un átomo de cesio 133".

Para medir esta frecuencia, los relojes de cesio fuente miden dos veces los átomos de cesio enfriados por láser en su viaje a través de la cavidad de microondas del reloj, una vez en su camino hacia arriba y de nuevo en su camino hacia abajo. Para lograr una evaluación precisa de la frecuencia del reloj, los físicos tenían que incluir en sus modelos la comprensión de cómo las microondas empujan la mecánica cuántica de los átomos. Como resultado, según Gibble, "ahora sabemos que el reloj es tan preciso que tiene que ser considerado más bien como un interferómetro atómico".