Reloj atómico óptico portátil hace su debut comercial – Physics World

Reloj atómico óptico portátil hace su debut comercial – Physics World

Marca de tiempo: 12 de diciembre de 2023 10:00 a.m.

Foto de cuatro celdas de vapor de yodo, que son cajas de vidrio de unos pocos centímetros de largo.
Configuración sencilla: las células de vapor de yodo utilizadas en el reloj atómico óptico portátil de Vector Atomic. (Cortesía: Vector Atómico)

Los átomos son los cronometradores más precisos del mundo, hasta el punto de que el segundo se define como exactamente 9 tics de un reloj atómico basado en cesio. Las versiones disponibles comercialmente de estos relojes atómicamente precisos sustentan el GPS, la navegación, la transferencia de datos y los mercados financieros, y funcionan en frecuencias de microondas, o miles de millones de tic-tac por segundo. Después de un día, su cronometraje se retrasa en menos de diez nanosegundos.

Sin embargo, por muy bueno que sea, la próxima generación de relojes atómicos es aún más precisa. Estas construcciones de laboratorio funcionan a frecuencias ópticas, lo que significa que funcionan decenas de billones de veces por segundo. Los mejores pueden mantener una precisión de 10 femtosegundos (10-15 s) después de un día, o dentro de un segundo después de 50 mil millones de años. Y pronto, por primera vez, podrás comprar uno propio: Vector Atomic, una nueva empresa con sede en California, EE. UU., ha puesto el Primer reloj óptico portátil del mercado..

“Hoy en día, los únicos relojes que se pueden comprar son los de microondas”, dice jonathan hoffmann, director de programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA), que financió el trabajo. “Si se pasa a la transición óptica, hay una ganancia gigante en precisión, exactitud y rendimiento, pero también suele conllevar una complejidad increíble al mismo tiempo. Encontrar un acuerdo feliz es la verdadera batalla”.

Encontrar los átomos correctos

La principal diferencia entre los relojes ópticos y sus predecesores de microondas son los láseres. Para construir los relojes más precisos posibles, los científicos utilizan los átomos que ofrecen las transiciones atómicas más estrechas (normalmente estroncio o iterbio) y diseñan sus sistemas láser en función de los requisitos particulares de esos átomos. Los átomos se mantienen en cámaras de vacío y se utilizan diferentes láseres para enfriarlos y atraparlos, mientras que otros láseres bloquean transiciones indeseables o interrogan la deseada utilizada en el reloj. Todos estos láseres, hasta una docena en total, deben estabilizarse en frecuencias precisas y su mantenimiento requiere una supervisión constante.

Para construir una versión menos precisa, pero más robusta y portátil, de un reloj óptico, el CEO y cofundador de Vector Atomic Jamil Abo-Shaeer tuvo que adoptar un enfoque diferente. "En lugar de diseñar el sistema alrededor del átomo, diseñamos el sistema alrededor de los láseres", dice.

Foto de un peine de frecuencia en una caja rectangular.
Un peine de frecuencia compacto hecho a medida que se utiliza para leer la frecuencia del reloj óptico. (Cortesía: Vector Atomics)

Los láseres más resistentes y probados que existen, explica Abo-Shaeer, son los que se utilizan en telecomunicaciones y mecanizado industrial. Gracias a años (o incluso décadas) de I+D comercial, son extremadamente compactos y estables, y él y su equipo eligieron una especie atómica que se adapta a ellos: el yodo molecular. Esta molécula tiene transiciones convenientes cerca de un láser infrarrojo de frecuencia duplicada comúnmente utilizado en mecanizado. El equipo también optó por una configuración simple de celda de vapor que evita enfriar los átomos a temperaturas gélidas o confinarlos en un vacío ultraalto.

El resultado fue un reloj óptico llave en mano, al que el equipo llamó Evergreen, con un volumen de sólo 30 litros, aproximadamente el tamaño de un tocadiscos. Aunque la precisión de la sincronización de Evergreen está lejos de la tecnología de laboratorio, es 100 veces más precisa que los relojes de microondas existentes de un tamaño comparable. También iguala el rendimiento de los relojes basados ​​en máseres de hidrógeno, dispositivos del tamaño de frigoríficos que son extremadamente sensibles al ruido ambiental.

Pruebas de mar

En el verano de 2022, un prototipo de Evergreen pasó tres semanas a bordo de un barco en el mar para realizar pruebas. Durante este tiempo, el reloj funcionó sin ninguna intervención. A su regreso, el equipo probó el rendimiento del reloj y descubrió que no se había degradado significativamente, a pesar de las turbulencias y los cambios de temperatura a bordo del barco. “Cuando sucedió, pensé que todos deberían ponerse de pie y gritar a los cuatro vientos”, dice Hoffman. “Quiero decir, la gente ha estado trabajando en estos relojes ópticos durante décadas. Y esta fue la primera vez que un reloj óptico funcionó solo sin interferencia humana, en el mundo real”.

Foto del reloj óptico de Vector Atomic, una caja gris oblonga con una pantalla y un puñado de conectores.
Tic tac: el reloj óptico Evergreen de Vector Atomic en su caja. (Cortesía: Vector Atomics)

Según Abo-Shaeer, el tamaño y la estabilidad de Evergreen allanan el camino para la adopción generalizada de este tipo de relojes en la navegación, especialmente cuando las señales de GPS están bloqueadas o falsificadas; en centros de datos y protocolos de telecomunicaciones; y para sincronizar señales de detectores remotos con fines científicos. Actualmente, el GPS tiene una precisión de unos tres metros, pero una sincronización más precisa en los satélites podría reducirla a unos pocos centímetros o menos, permitiendo que los vehículos autónomos permanezcan en sus carriles o que los drones de reparto aterricen en un balcón. Ser capaz de dividir el tiempo en partes más pequeñas también debería permitir comunicaciones con mayor ancho de banda, añade Abo-Shaeer.

Queda por ver si este reloj en particular será el que impulsará la próxima generación de GPS y una transferencia de datos más rápida. Sin embargo, el avance tecnológico es significativo, afirma elizabeth donley, jefe de la división de tiempo y frecuencia del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. en Boulder, Colorado. "Existen potencialmente muchos otros tipos de relojes ópticos que podrían salir al mercado durante la próxima década", afirma Donley, que no participó en el trabajo de Vector Atomic. "El corazón de esto es una celda de vapor de yodo, pero la infraestructura también se puede utilizar para otros tipos de relojes".

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