Preparaciónd e relojes atómicos para el uso espacial y sobre el terreno

En el corazón de todo reloj hay un fenómeno oscilatorio que se produce a intervalos muy regulares, tanto si se trata de un péndulo oscilante o las oscilaciones de un cristal de cuarzo generadas por una tensión eléctrica. Sin embargo, los relojes mecánicos y electromecánicos tienden a ser susceptibles a las variaciones de temperatura y el envejecimiento a pesar de sus diseños ingeniosos. Además, la necesidad creciente de disponer de un recuento de tiempo más preciso exige osciladores con frecuencias más elevadas.

Los relojes atómicos ópticos utilizan la frecuencia de las transiciones electrónicas entre orbitales atómicos. Representan un avance revolucionario en los estándares de tiempo, conseguido gracias a los avances en los campos de la tecnología láser y la óptica cuántica. Utilizan frecuencias de oscilación ópticas ultraelevadas. Los relojes atómicos ópticos dejarán obsoletos a los relojes a base de cesio (Cs), cuyo «tic» se basa en la frecuencia de las microondas, a razón de 10 000 millones de veces por segundo.

En los relojes atómicos ópticos llamados de retícula se utilizan átomos fríos dentro de una onda láser en forma de onda estacionario (retícula óptica). En ella se confinan miles de átomos simultáneamente. Ajustando la luz láser de la retícula hasta una longitud de onda determinada cuidadosamente, es posible minimizar sus efectos sobre las transiciones atómicas. Así pues, los relojes atómicos ópticos pueden lograr una precisión y estabilidad sin precedentes.

Gracias a la financiación de la Unión Europea para el proyecto SOC2, un equipo de investigadores trabaja en el desarrollo y el uso de los componentes y subsistemas críticos necesarios para obtener relojes ópticos de retícula de átomos neutros ultraprecisos adecuados para su transporte e incluso, posiblemente, para su uso en el espacio. Los investigadores trabajan con átomos de yterbio (Yb) y estroncio (Sr).

Los científicos de SOC2 han desarrollado los subsistemas láser necesarios y los han integrado con subsistemas atómicos de estroncio e yterbio para obtener sistemas de relojes completos. Por ejemplo, para el reloj a base de Sr, diseñaron subsistemas de estabilización de frecuencia robustos y compactos basados en cavidades ópticas, un ralentizador atómico con imán permanente y una cámara atómica muy compacta. Su sistema compacto y de bajo consumo genera átomos de Sr ultrafríos de forma rutinaria.

En el caso del reloj basado en Yb, los científicos desarrollaron diodos láser de cavidad externa utilizando filtros de interferencia de banda estrecha que pueden mejorar la estabilidad frente a los láseres estabilizados mediante rejillas que se utilizan habitualmente. El primer prototipo del aparato modular está totalmente operativo. Funciona automáticamente y de forma estable durante varias horas de uso continuo. Recientemente se ha podido transportar con éxito con una camioneta desde la Universidad de Düsseldorf hasta el instituto italiano de metrología en Turín, donde se está sometiendo a una caracterización detallada.

Cuando estén terminados, los relojes atómicos ópticos de SOC2 representarán demostradores en forma de montaje experimental de futuros relojes para el uso en experimentos realizados en el espacio, en particular para llevar a cabo una prueba más precisa de uno de los aspectos fundamentales de la teoría de la Relatividad General de Einstein: la dilatación del tiempo. Un reloj espacial también sería útil para proporcionar frecuencias ultraestables en cualquier lugar de la Tierra.