Relojes atómicos experimentales han logrado la precisión suficiente para detectar débiles señales de la gravedad, el universo temprano y quizás incluso la materia oscura.

Los relojes, perfeccionados en el NIST (National Institute of Standards and Technology) de Estados Unidos, atrapan cada uno mil átomos de iterbio en celosías ópticas, rejillas hechas de rayos láser. Los átomos hacen tictac al vibrar o cambiar entre dos niveles de energía. Al comparar dos relojes independientes, los físicos del NIST lograron un rendimiento récord en tres medidas importantes: incertidumbre sistemática, estabilidad y reproducibilidad.

Publicados en la revista Nature, los nuevos registros de medición del NIST son:

– Incertidumbre sistemática: la exactitud con la que el reloj representa las vibraciones naturales, o la frecuencia, de los átomos. Los investigadores del NIST encontraron que cada reloj marcaba una velocidad que coincidía con la frecuencia natural dentro de un posible error de solo 1,4 partes en 10 elevado a 18, aproximadamente una milmillonésima parte de una milmillonésima parte.

– Estabilidad: cuánto cambia la frecuencia del reloj en un intervalo de tiempo específico, medido a un nivel de 3,2 partes en 10 elevado a la 19 (o 0,00000000000000000032) en un día.

– Reproducibilidad: la precisión con la que los dos relojes marcan la misma frecuencia, como se muestra en 10 comparaciones del par de relojes, lo que produce una diferencia de frecuencia por debajo del nivel 10 a la 18 (de nuevo, menos de una milmillonésima parte de una milmillonésima parte).

«La incertidumbre sistemática, la estabilidad y la reproducibilidad pueden considerarse como la ‘escalera real’ del rendimiento de estos relojes», dijo el líder del proyecto, Andrew Ludlow. «El acuerdo de los dos relojes en este nivel sin precedentes, que llamamos reproducibilidad, es quizás el resultado más importante, porque esencialmente requiere y justifica los otros dos resultados», añadió en un comunicado.

«Esto es especialmente cierto porque la reproducibilidad demostrada muestra que el error total de los relojes cae por debajo de nuestra capacidad general para explicar el efecto de la gravedad en el tiempo aquí en la Tierra. Por lo tanto, cuando visualizamos relojes como estos que se utilizan en todo el mundo, su funcionamiento estaría, por primera vez, limitado por los efectos gravitacionales de la Tierra».

La teoría de la relatividad de Einstein predice que el tictac de un reloj atómico, es decir, la frecuencia de las vibraciones de los átomos, se reduce (se desplaza hacia el extremo rojo del espectro electromagnético) cuando se opera en una gravedad más fuerte. Es decir, el tiempo pasa más lentamente en elevaciones más bajas.

Mientras que los llamados desplazamientos al rojo degradan el cronometraje de un reloj, esta misma sensibilidad puede transformarse para medir exquisitamente la gravedad. Los relojes supersensibles pueden mapear la distorsión gravitatoria del espacio-tiempo de manera más precisa que nunca. Las aplicaciones incluyen la geodesia relativista, que mide la forma gravitacional de la Tierra, y la detección de señales del universo primitivo, como las ondas gravitacionales, y quizás incluso la «materia oscura» aún sin explicación.

Los relojes de iterbio del NIST ahora superan la capacidad convencional para medir el geoide o la forma de la Tierra según las encuestas de marea del nivel del mar. Las comparaciones de estos relojes ubicados muy alejados, como en diferentes continentes, podrían resolver las mediciones geodésicas con precisión de hasta 1 centímetro, mejor que el estado actual de la técnica de varios centímetros.

Según los investigadores, en la última década de los nuevos registros de rendimiento del reloj anunciados por el NIST y otros laboratorios de todo el mundo, este último documento muestra la reproducibilidad a un alto nivel. Además, la comparación de dos relojes es el método tradicional de evaluar el rendimiento.

Entre las mejoras en los últimos relojes de iterbio del NIST se incluyó el blindaje térmico y eléctrico, que rodea a los átomos para protegerlos de los campos eléctricos dispersos y permite a los investigadores caracterizar y corregir mejor los cambios de frecuencia causados por la radiación térmica.

El átomo de iterbio se encuentra entre los posibles candidatos para la futura redefinición del segundo, la unidad internacional del tiempo, en términos de frecuencias ópticas. Los nuevos registros de reloj de NIST cumplen con uno de los requisitos de la redefinición internacional de la hoja de ruta, una mejora de 100 veces en la precisión validada respecto a los mejores relojes basados en el estándar actual, el átomo de cesio, que vibra a frecuencias de microondas más bajas.

NIST está construyendo un reloj de celosía de iterbio portátil con el rendimiento más moderno que podría ser transportado a otros laboratorios de todo el mundo para realizar comparaciones de reloj y a otras ubicaciones para explorar técnicas de geodesia relativista.

Fuente: europapress.es