Reloj atómico

Un reloj atómico ( reloj molecular , cuántico ) es un dispositivo para medir el tiempo , en el que las oscilaciones naturales asociadas con procesos que ocurren a nivel de átomos o moléculas se utilizan como un proceso periódico .

Los relojes atómicos son importantes en la navegación. Determinar la posición de naves espaciales, satélites, misiles balísticos, aviones, submarinos, así como el movimiento de automóviles en modo automático a través de comunicaciones por satélite ( GPS , GLONASS , Galileo ) es imposible sin relojes atómicos. Los relojes atómicos también se utilizan en los sistemas de telecomunicaciones terrestres y por satélite, incluidas las estaciones base de telefonía móvil, las oficinas de normas nacionales e internacionales y los servicios de cronometraje que transmiten periódicamente señales horarias por radio.

Desde 1967, el sistema internacional de unidades SI ha definido un segundo como 9.192.631.770 períodos de radiación electromagnética , que se produce durante la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133 . Según esta definición, el átomo de cesio-133 es el estándar para medir el tiempo y la frecuencia . La precisión del segundo determina la precisión de otras unidades básicas, como, por ejemplo, el voltio o el metro , que contienen un segundo en su definición.

La estabilidad de los relojes atómicos (donde  es la desviación de frecuencia del reloj durante un cierto período de tiempo) generalmente se encuentra dentro de 10 −14 -10 −15 , y en diseños especiales alcanza 10 −17 [1] , y es la mejor entre todos los tipos de relojes existentes [1] .

Dispositivo de reloj

El reloj consta de varias partes:

Un oscilador de cuarzo es un autooscilador, cuyo elemento resonante son los modos piezoeléctricos de un cristal de cuarzo . Las oscilaciones electromagnéticas que genera tienen una frecuencia fija, normalmente igual a [2] 10 MHz, 5 MHz o 2,5 MHz, con la posibilidad de sintonizar dentro de pequeños límites (±10 −6 , por ejemplo, cambiando la temperatura del cristal). Por lo general, la estabilidad a largo plazo de un resonador de cuarzo es pequeña, alrededor de . Para aumentar su estabilidad se utilizan vibraciones de átomos o moléculas, para lo cual se comparan constantemente las vibraciones de un oscilador de cuarzo con una frecuencia mediante un comparador frecuencia-fase con la frecuencia de una línea atómica registrada en un discriminador cuántico . Cuando hay una diferencia en la fase y la frecuencia de oscilación, el circuito de retroalimentación ajusta la frecuencia del oscilador de cristal al valor requerido, aumentando así la estabilidad y precisión del reloj al nivel .

En la URSS, el académico Nikolai Gennadievich Basov [3] fue el ideólogo de la creación de los relojes atómicos .

Centros Nacionales de Patrones de Frecuencia

Muchos países han formado centros nacionales de estándares de tiempo y frecuencia [4] :

Los científicos de diferentes países están trabajando para mejorar los relojes atómicos y los estándares primarios estatales de tiempo y frecuencia basados ​​​​en ellos, la precisión de dichos relojes aumenta constantemente. En Rusia, en el Instituto de Física se están llevando a cabo amplias investigaciones destinadas a mejorar las características de los relojes atómicos . Lebedev .

Tipos de relojes atómicos

No todos los átomos (moléculas) son adecuados como discriminadores para relojes atómicos. Elija átomos que sean insensibles a diversas influencias externas: campos magnéticos, eléctricos y electromagnéticos. Hay tales átomos en cada rango del espectro de radiación electromagnética. Estos son: átomos de calcio , rubidio , cesio , estroncio , moléculas de hidrógeno , yodo , metano , óxido de osmio (VIII) , etc. La transición hiperfina del átomo de cesio fue elegida como patrón de frecuencia principal (primario). Las características de todos los demás estándares (secundarios) se comparan con este estándar. Para hacer tal comparación, actualmente peines ópticos  amplio espectro de frecuencia en forma de líneas equidistantes, cuya distancia está ligada al estándar de frecuencia atómica. Los peines ópticos se obtienen utilizando un láser de femtosegundo de modo bloqueado y fibra microestructurada , en el que el espectro se amplía a una octava .

En 2006, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU., dirigidos por Jim Bergquist ,  desarrollaron un reloj que funciona con un solo átomo de mercurio [5] . Durante las transiciones entre los niveles de energía del ion mercurio , se generan fotones del rango visible con una estabilidad 5 veces mayor que la radiación de microondas del cesio-133. El nuevo reloj también puede encontrar aplicación en estudios de la dependencia del tiempo de constantes físicas fundamentales . A partir de abril de 2015, el reloj atómico más preciso fue el reloj creado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU . [6] . El error fue de sólo un segundo en 15 mil millones de años. La geodesia relativista fue citada como una de las posibles aplicaciones de los relojes, cuya idea principal es utilizar una red de relojes como sensores de gravedad, lo que ayudará a realizar mediciones tridimensionales increíblemente detalladas de la forma de la Tierra.

El desarrollo activo de relojes atómicos compactos para su uso en la vida cotidiana (relojes de pulsera, dispositivos móviles) está en marcha [7] [8] [9] [10] . A principios de 2011, la empresa estadounidense Symmetricom anunció el lanzamiento comercial de un reloj atómico de cesio del tamaño de un pequeño chip. El reloj funciona sobre la base del efecto de captura de población coherente . Su estabilidad es de 5 · 10 -11 por hora, peso - 35 g, consumo de energía - 115 mW [11] .

Notas

  1. ↑ 1 2 Se ha establecido un nuevo récord para la precisión de los relojes atómicos (enlace inaccesible) . Membrana (5 de febrero de 2010). Consultado el 4 de marzo de 2011. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2012. 
  2. ↑ Las frecuencias especificadas son las típicas de los resonadores de cuarzo de precisión, con el factor de calidad y la estabilidad de frecuencia más altos que se pueden lograr con el efecto piezoeléctrico. En general, los osciladores de cristal se utilizan en frecuencias desde unos pocos kHz hasta varios cientos de MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Osciladores de cuarzo: una guía de referencia. - M .: Radio y comunicación, 1984. - S. 121, 122. - 232 p. - 27.000 copias. )
  3. ↑ N. G. Basov , V. S. Letokhov . Estándares de frecuencia óptica  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Academia Rusa de Ciencias , 1968. - T. 96 , No. 12 .
  4. ↑ Laboratorios nacionales de metrología . Archivado el 18 de mayo de 2011 en Wayback Machine  . NIST, 3 de febrero de 2011   (Consultado el 14 de junio de 2011)
  5. ↑ Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Reloj óptico de un solo átomo con alta precisión   // Phys . Rvdo. Letón. . - Sociedad Americana de Física, 4 de julio de 2006. - vol. 97 , núm. 2 . — ISSN 0031-9007 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.97.020801 .
  6. ↑ M. Paymakova. Los nuevos relojes atómicos estarán un segundo atrasados ​​en 15 mil millones de años  // Vesti.Ru. — 22 de abril de 2015.
  7. ↑ Relojes atómicos: próximamente en teléfonos móviles (enlace inaccesible) . CNews (3 de septiembre de 2004). Fecha de acceso: 13 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 3 de enero de 2012. 
  8. ↑ Nanotecnología :: . Consultado el 11 de octubre de 2008. Archivado desde el original el 14 de marzo de 2014.
  9. ↑ Ígor Lalayants. Esposas atómicas  // El conocimiento es poder . - 2005. - Nº 9 . — ISSN 0130-1640 . Archivado desde el original el 24 de junio de 2008.
  10. ↑ Los físicos rusos han creado el "corazón" de los relojes atómicos en miniatura . Lenta.ru (18 de marzo de 2010). Consultado el 13 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 17 de junio de 2010.
  11. ↑ Reloj atómico a escala de chip (CSAC) SA.45s . Consultado el 17 de enero de 2021. Archivado desde el original el 8 de octubre de 2018.

Enlaces

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