Hacia una nueva definición del segundo usando relojes atómicos de estroncio

Dibujo20140122 3D model of the clock vacuum chamber - photograph of the two glass tubes surrounding the trapped 87Sr atoms

La definición del segundo en el S.I. se basa en los relojes atómicos de cesio (9 192 631 770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del cesio). Se publica en Nature un nuevo avance en la estabilidad de los relojes atómicos de estroncio atrapados en redes ópticas: un segundo serían 429 228 004 229 873 oscilaciones de la radiación emitida en la transición emitida entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótropo 87 del estroncio). B. J. Bloom (Univ. Colorado, Boulder, EEUU) y varios colegas publican en Nature el desarrollo de un reloj atómico de estroncio estable durante 3000 segundos con una precisión de 6,4 attosegundos (los de cesio sólo logran unos 300 attosegundos). Muchos grupos de investigación en relojes atómicos ha logrado replicar este resultado en los últimos meses, con lo que todo apunta a que pronto se estará en disposición de cambiar la definición de segundo. 

El artículo técnico es B. J. Bloom et al., «An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10−18 level,» Nature, AOP 22 Jan 2014arXiv:1309.1137 [physics.atom-ph]. También recomiendo leer a Daisuke Akamatsu et al., «Spectroscopy and frequency measurement of the 87Sr clock transition by laser linewidth transfer using an optical frequency comb,» Applied Physics Express 7: 012401, 2014arXiv:1401.1008 [physics.atom-ph]; Stephan Falke et al., «A strontium lattice clock with 3×10−17 inaccuracy and its frequency,» arXiv:1312.3419 [physics.atom-ph]; Daniele Nicolodi et al., «Spectral purity transfer between optical wavelengths at the 10−18 level,» arXiv:1311.4378 [physics.optics]; y «Hacia un segundo más preciso en los relojes atómicos; superado el límite cuántico de la interferometría de Ramsey,» LCMF, 31 Mar 2010.

Dibujo20140122 Simplified level scheme of strontium -left- and scan across the clock transition -right

Para lograr un precisión tan alta se utiliza un un sistema de miles de átomos de estroncio-87 atrapados en una red óptica. Un reloj implementado con un único átomo de stroncio presenta un error de 340 attosegundos cada segundo, pero combinando muchos átomos en una trampa óptica enfriada a unos pocos microkelvin se logra reducir este error a sólo 6,4 attosegundos y se espera que en un futuro cercano se logre bajar de 1 attosegundo. Hay muchos grupos de investigación trabajando en ello.

Dibujo20140122 Clock comparisons between SrI and SrII - Allan deviation to reflect performance single clock

El mayor problema con este tipo de relojes es la estabilidad durante el tiempo, pues hay átomos que pueden escapar de la trampa óptica degradando la precisión. El nuevo trabajo ha fabricado dos relojes independientes y ha probado su buena estabilidad, con un error menor de 3 attosegundos en unos 10.000 segundos. Por ello, las perspectivas para la futura comercialización de los relojes de stroncio-87 atrapados en redes ópticas es muy prometedora. Hay una amplia gama de aplicaciones que se beneficiarían de este tipo de relojes, pero para el autor de este blog lo más interesante son sus aplicaciones en la medida de constantes fundamentales de la física y de su posible variación temporal.



17 Comentarios

  1. Albert Eistein dice: que depende del punto de referencia, del parámetro, de lo que usemos como medida: es es el hecho que se va a medir.

    ¿Y qué es lo que se quiere medir en esencia?

    La actividad humana. Los grupos humanos por nuestra estructura genética (cualidad-cantidad de neuronas) sujeción a un electromagnetismo, sólo somos capaces de fijar ciertos parámetros, construir determinados sistemas.

    No podemos hacer más que lo queda nuestras limitadas capacidades.
    Cualquier nuevo aparato, sistema de medida, etcétera, siempre se refiere a la capacidad de HACER -y conscuentemente- MEDIR cada grupo humno.

    En nada altera inventar otro «reloj» que (como los relojes de arena o los electrónicos) siempre medirán lo mismo el qué-hacer-humano

    Felicitaciones Francis. Nos obliga Usted a pensar y RESISTA, no VAYA A DESMAYAR, necesita la humanidad cientos de Francisa.

    Ciencias & Humanidades

    1. Eso es mas que evidente, toda la ciencia se basa en hechos empíricos que no van mas mas allá de lo que permiten nuestros sentidos entonces no se puede hacer referencia a un mundo absoluto fuera de lo que hace un observador, hacer referencia mas allá de esto cae en terrenos de la filosofía

    1. Relativa a la velocidad de la luz, que es relativa a la gravedad, que es relativa a la masa, que es relativa al campo de Higgs, que es… ¡oh, diablos, una aspirina, aunque sea holográfica!

          1. Fíjate que no puedes hacer referencia al ESTADO DE MOVIMIENTO del observador porque al hacerlo pierde la calidad de observador y pasa a ser parte de lo observado

          2. En el modelo newtoniano, el tiempo era una magnitud universal que todos los relojes medían por igual. Así pues, el concepto de reposo absoluto tenía sentido, lo cual admitía la noción de «observadores privilegiados».

            Esas ideas funcionaron muy bien hasta que tropezaron con paradojas insoslayables como la presunta existencia del éter.

            El éter sólo tenía sentido concibiéndolo en reposo absoluto, por tanto debía ser el referente absoluto de todo movimiento. Se creía que la luz se propagaba por el éter con una velocidad fija en relación a éste. Pero, lógicamente, si un observador viajaba por el éter en la misma dirección que la luz, la velocidad de ésta le parecería menor. Y si viajaba en dirección opuesta a la de la luz, la velocidad de ésta le parecería mayor.

            Una serie de experimentos, sobre todo los de Michelson-Morley, no consiguió confirmar esa idea. Los experimentos revelaron que la luz viaja siempre con la misma velocidad con respecto al observador, sea cual sea la rapidez y la dirección en que el observador se esté moviendo.

            Entonces se sugirió que los cuerpos que se desplazan por el éter se contraerían y el ritmo de sus relojes disminuiría. Esto explicaba los resultados experimentales, pero significaba que el éter es indetectable, pues la contracción de los cuerpos haría imposible medir nuestro movimiento respecto al éter. ¿Tiene sentido hablar de movimiento con respecto a algo que es inmedible?

            Einstein hizo notar que la noción de un éter indetectable resulta redundante. En su lugar, postuló que las leyes de la ciencia deberían parecer las mismas a todos los observadores sin importar cómo éstos se estén moviendo. En particular, todos deberían medir la misma velocidad de la luz. La velocidad de la luz es independiente del movimiento del observador y tiene el mismo valor en todas direcciones.

            Ello exigió abandonar la idea de que hay una magnitud universal llamada tiempo que todos los relojes pueden medir por igual. En vez de ello, cada observador tendría su propio tiempo personal. Los tiempos de dos personas coincidirían si ambas estuvieran en reposo la una respecto a la otra, pero no si estuvieran desplazándose la una con relación a la otra.

            Esto ha sido confirmado por innumerables experimentos, y es la base de la teoría de la relatividad, llamada así porque supone que sólo importa el movimiento relativo.

            En la teoría general de la relatividad, el espacio y el tiempo, hasta entonces considerados un mero escenario pasivo en que se producen los acontecimientos, pasaron a ser participantes activos en la dinámica del universo.

            En definitiva, el observador y lo observado están vinculados porque ambos SON parte del universo. NO es posible extirpar al observador del universo. NO hay «observadores privilegiados». Todo es relativo a todo.

            ¿Has leído la frase «la mera observación de un experimento cambia su resultado? Pues ahí tienes.

    1. ¡Wow! Los agujeros negros se complican cada vez más. Primero eran negros. Luego no tanto. Ahora no lo son en absoluto. ¡Condenado firewall! ¿El horizonte del agujero depende del observador? Porque eso ES un «apparent horizon», ¿cierto? ¡¡¡Francis, AYUDA, please!!!

      1. Muchas gracias, no había leído ese artículo. Lo haré ahora. (Por desgracia, el vídeo no está a mi alcance; mi inglés hablado es nulo, sólo entiendo el escrito.)

      2. Muy amenas las dos entradas de Cuentos Cuánticos acerca de esta «revelación». Lástima que no sean mucho más profundas que el propio paper de Hawking.

        Oh, yo pensaba que «Stevie» era más serio. Además no entiendo por qué su argumento pone tanto énfasis en la simetría CPT del agujero, sabiendo que la CP no siempre se cumple.

        ¿Este tema no merece una entradita, Francis? Quizá podrías empezar con un resumen en casteLLANO (sin tanta math) de este viejo paper de Ivan Booth (o similar más actual): http://arxiv.org/pdf/gr-qc/0508107v2.pdf

        Sin ir más lejos, este año le pedí a Santa que cambiara sus renos por mulas. ¡Que pedir no cuesta nada, vamos! 🙂

        Saludos.

  2. Qué cosa más enloquecida, al menos para alguien que no tiene ni idea de esto 🙂
    Pero está bien, aunque quede lejos de mi comprensión

  3. A mi se me presenta una duda, como miden la estavilidad y el «desfase»? Si son los mejores relojes del mundo como podemos saber que se desfasan 6.4 attosegundos, con que otro reloj lo comparas?
    Muchas gracias

    1. Vilito, buena pregunta. En este artículo comparan entre sí dos relojes diferentes construidos con la misma tecnología. De hecho, otros grupos de investigación han desarrollado relojes similares de forma independiente y también se han realizado comparaciones entre dichos relojes.

      1. Esta es la pregunta que estaba haciendo en un comentario anterior, debe ser interesante revisar el calculo matemático para que lleguen a la conclusión de que en 3000 segundos hay una precisión de 6,4 attosegundos

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 22 enero, 2014
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