Un nuevo reloj atómico ultrapreciso promete descubrimientos físicos

Físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison, en Estados Unidos, han fabricado uno de los relojes atómicos de mayor rendimiento de la historia, según anuncian en la revista 'Nature'.

Su instrumento, conocido como reloj atómico de celosía óptica, puede medir las diferencias de tiempo con una precisión equivalente a perder sólo un segundo cada 300.000 millones de años y es el primer ejemplo de reloj óptico "multiplexado", en el que pueden existir seis relojes distintos en el mismo entorno. Su diseño permite al equipo probar formas de buscar ondas gravitacionales, intentar detectar la materia oscura y descubrir nueva física con relojes.

"Los relojes ópticos de celosía ya son los mejores relojes del mundo, y aquí conseguimos este nivel de rendimiento que nadie ha visto antes --explica en un comunicado Shimon Kolkowitz, profesor de física de la UW-Madison y autor principal del estudio--. Estamos trabajando tanto en la mejora de su rendimiento como en el desarrollo de aplicaciones emergentes que permitan este rendimiento mejorado".

Los relojes atómicos son tan precisos porque aprovechan una propiedad fundamental de los átomos: cuando un electrón cambia de nivel de energía, absorbe o emite luz con una frecuencia que es idéntica para todos los átomos de un elemento concreto. Los relojes atómicos ópticos mantienen la hora utilizando un láser que se ajusta con precisión a esta frecuencia, y requieren algunos de los láseres más sofisticados del mundo para mantener la hora exacta.

En comparación, el grupo de Kolkowitz tiene "un láser relativamente malo", asegura, así que sabían que cualquier reloj que construyeran no sería el más exacto o preciso por sí mismo. Pero también sabían que muchas aplicaciones posteriores de los relojes ópticos requerirán láseres portátiles y comerciales como el suyo y diseñar un reloj que pudiera utilizar láseres medios sería una ventaja.

En su nuevo estudio, crearon un reloj multiplexado, en el que los átomos de estroncio pueden separarse en múltiples relojes dispuestos en línea en la misma cámara de vacío. Utilizando sólo un reloj atómico, el equipo descubrió que su láser sólo era capaz de excitar de forma fiable los electrones del mismo número de átomos durante una décima de segundo.

Sin embargo, cuando iluminaron con el láser dos relojes de la cámara al mismo tiempo y los compararon, el número de átomos con electrones excitados permaneció igual entre los dos relojes hasta 26 segundos. Sus resultados significaron que podían realizar experimentos significativos durante mucho más tiempo del que su láser permitiría en un reloj óptico normal.

"Normalmente, nuestro láser limitaría el rendimiento de estos relojes --comenta Kolkowitz--. Pero como los relojes están en el mismo entorno y experimentan exactamente la misma luz láser, el efecto del láser desaparece por completo".

El grupo se preguntó a continuación con qué precisión podían medir las diferencias entre los relojes. Dos grupos de átomos que se encuentran en entornos ligeramente diferentes funcionarán a velocidades ligeramente diferentes, dependiendo de la gravedad, los campos magnéticos u otras condiciones.

Realizaron su experimento más de mil veces, midiendo la diferencia en la frecuencia de tictac de sus dos relojes durante un total de unas tres horas. Como era de esperar, al estar los relojes en dos lugares ligeramente diferentes, el tictac era ligeramente distinto. El equipo demostró que, a medida que tomaban más y más mediciones, eran más capaces de medir esas diferencias.

Al final, pudieron detectar una diferencia en el ritmo de tictac entre los dos relojes que correspondería a una diferencia de sólo un segundo cada 300.000 millones de años, una medida de precisión horaria que establece un récord mundial para dos relojes separados espacialmente.

También habría sido el récord mundial de diferencia de frecuencia más precisa si no fuera por otro trabajo, publicado en el mismo número de 'Nature'. Ese estudio fue dirigido por un grupo del JILA, un instituto de investigación de Colorado. El grupo del JILA detectó una diferencia de frecuencia entre la parte superior y la inferior de una nube dispersa de átomos unas 10 veces mejor que el grupo de la UW-Madison.

Sus resultados, obtenidos a una separación de un milímetro, también representan la distancia más corta hasta la fecha en la que se ha probado la teoría de la relatividad general de Einstein con relojes. El grupo de Kolkowitz espera realizar pronto una prueba similar.

"Lo sorprendente es que hemos demostrado un rendimiento similar al del grupo del JILA a pesar de que estamos utilizando un láser de órdenes de magnitud peores --subraya Kolkowitz--. Eso es realmente significativo para muchas aplicaciones del mundo real, donde nuestro láser se parece mucho más a lo que se llevaría al campo".

Para demostrar las posibles aplicaciones de sus relojes, el equipo de Kolkowitz comparó los cambios de frecuencia entre cada par de seis relojes multiplexados en un bucle.

Comprobaron que las diferencias se suman a cero cuando vuelven al primer reloj del bucle, lo que confirma la consistencia de sus mediciones y establece la posibilidad de que puedan detectar pequeños cambios de frecuencia dentro de esa red.

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