Crédito: Copyright Geoffrey Wheeler

El Estándar de frecuencia y Hora Principal para los Estados Unidos

NIST-F1, el estándar de frecuencia y hora principal de la nación, es un reloj atómico fuente de cesio desarrollado en los laboratorios NIST en Boulder, Colorado. NIST-F1 contribuye al grupo internacional de relojes atómicos que definen el Tiempo Universal Coordinado (UTC), la hora mundial oficial. Debido a que el NIST-F1 es uno de los relojes más precisos del mundo, hace que el UTC sea más preciso que nunca.

La incertidumbre del NIST-F1 está mejorando continuamente. En 2000, la incertidumbre era de aproximadamente 1 x 10-15, pero a partir de enero de 2013, la incertidumbre se ha reducido a aproximadamente 3 x 10-16, lo que significa que no ganaría ni perdería un segundo en más de 100 millones de años. El gráfico a continuación muestra cómo el NIST-F1 se compara con los relojes atómicos anteriores construidos por el NIST. Ahora es aproximadamente diez veces más preciso que el NIST-7, un reloj atómico de haz de cesio que sirvió como el estándar de frecuencia y hora principal de los Estados Unidos entre 1993 y 1999.

Descripción técnica

El NIST-F1 se conoce como un reloj fuente porque utiliza un movimiento de átomos similar a una fuente para medir la frecuencia y el intervalo de tiempo. Primero, se introduce un gas de átomos de cesio en la cámara de vacío del reloj. Seis rayos láser infrarrojos se dirigen entonces en ángulo recto entre sí en el centro de la cámara. Los láseres empujan suavemente los átomos de cesio juntos en una bola. En el proceso de creación de esta bola, los láseres ralentizan el movimiento de los átomos y los enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Se utilizan dos láseres verticales para lanzar suavemente la bola hacia arriba (la acción» fuente»), y luego todos los láseres se apagan. Este pequeño empujón es justo lo suficiente para lucir la bola a un metro de altura a través de una cavidad llena de microondas. Bajo la influencia de la gravedad, la bola vuelve a caer a través de la cavidad del microondas.

El viaje de ida y vuelta hacia arriba y hacia abajo a través de la cavidad del microondas dura aproximadamente 1 segundo. Durante el viaje, los estados atómicos de los átomos podrían o no alterarse a medida que interactúan con la señal de microondas. Cuando su viaje termina, otro láser apunta a los átomos. Aquellos átomos cuyo estado atómico fue alterado por la señal de microondas emiten luz (un estado conocido como fluorescencia). Los fotones, o los pequeños paquetes de luz que emiten, se miden con un detector.

Este proceso se repite muchas veces mientras la señal de microondas en la cavidad se sintoniza a diferentes frecuencias. Finalmente, se encuentra una frecuencia de microondas que altera los estados de la mayoría de los átomos de cesio y maximiza su fluorescencia. Esta frecuencia es la frecuencia de resonancia natural del átomo de cesio (9,192,631,770 Hz), o la frecuencia utilizada para definir el segundo.

La combinación de enfriamiento por láser y el diseño de la fuente permite que el NIST-F1 observe los átomos de cesio durante períodos más largos y, por lo tanto, logre una precisión sin precedentes. Los relojes de cesio tradicionales miden átomos de temperatura ambiente que se mueven a varios cientos de metros por segundo. Dado que los átomos se mueven tan rápido, el tiempo de observación se limita a unos pocos milisegundos. El NIST-F1 utiliza un enfoque diferente. El enfriamiento por láser reduce la temperatura de los átomos a unas pocas millonésimas de grado por encima del cero absoluto, y reduce su velocidad térmica a unos pocos centímetros por segundo. Los átomos enfriados por láser se lanzan verticalmente y pasan dos veces a través de una cavidad de microondas, una en el camino hacia arriba y otra en el camino hacia abajo. El resultado es un tiempo de observación de aproximadamente un segundo, que está limitado solo por la fuerza de gravedad que tira de los átomos al suelo.

Como puede suponer, los tiempos de observación más largos facilitan la afinación de la frecuencia de microondas. La afinación mejorada de la frecuencia de microondas conduce a una mejor realización y control de la frecuencia de resonancia del cesio. Y, por supuesto, el control de frecuencia mejorado conduce a lo que es uno de los relojes más precisos del mundo.