Reloj atómico: ¿Qué es y cómo funciona?

Reloj atómico

La coordinación y eficiencia de la vida humana depende de un orden temporal que requiere adecuarse a estándares particulares que aseguren fiabilidad y constancia. El estándar de tiempo ha cambiado numerosas veces a lo largo de la historia, perfeccionándose y ajustándose cada vez mas de forma armoniosa, tanto a las leyes naturales como al fin práctico que subyace a la medición de la periodicidad universal. Pero… entre las formas distintas de medir el tiempo, ¿qué es el reloj atómico y cómo funciona?

El reloj atómico en la historia de la medición del tiempo

La posibilidad de aprovechar la vibración de los electrones del átomo como forma precisa de medir el tiempo no fue propuesta sino hasta el siglo XIX. Lord Kelvin ya realizó este planteamiento en el seno de una sociedad científica inglesa, en 1879, pero no fue sino en el primer tercio del siglo XX cuando del concepto de resonancia magnética de Isaac Rabí parte la base conceptual sobre la que se soporta un reloj atómico. En 1949, el norteamericano Willard Libby presenta el primer prototipo de este tipo de reloj, basado en amoníaco, usando las microondas como base del espectro electromagnético de medida. 

Luego de pasados veinte años, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas hizo oficial esta nueva tecnología, para fijar en adelante el valor estándar de la duración de un segundo, que se revisa periódicamente junto a otros patrones universales de medida. Curiosamente, el valor de un segundo atómico es actualmente el patrón más preciso entre los definidos por el sistema internacional de medidas.

¿Qué es el reloj atómico?

Como elementos de medida basados en la periodicidad, tanto los relojes mecánicos como los atómicos se basan en la amplitud de las oscilaciones que cada uno produce; pero, a diferencia de los relojes convencionales -de cuerda o de cuarzo-, el reloj atómico se basa en la frecuencia natural de oscilación de los electrones de un átomo.

Determinar la frecuencia de vibración precisa -la radiación emitida por un tipo de átomo en particular- es lo que requiere un reloj atómico para su funcionamiento. De tal manera, no es más que un cubo de gas cuántico al vacío, cuyos átomos oscilan (vibran) a una frecuencia particular que se califica como patrón universal de medida.

¿Cómo funciona?

Cualquiera sea el tipo de átomo utilizado en cada caso, el principio básico que rige el funcionamiento del reloj atómico es universal, así que aplica de igual forma para los diferentes elementos químicos utilizados para este fin. Todos ellos deben quedar confinados en una red de rayos láser que los atrapan y retienen, mientras vibran como un cubo de gas en una cámara de vacío. 

Los rayos láser son los instrumentos de medición estadística de la radiación que es emitida durante la caída de los electrones de dichos átomos, desde un nivel excitatorio alto hasta otro más bajo y estable. La diferencia de la energía resultante entre el nivel del spin superior de los electrones excitados y el nivel estable más bajo, emitida durante su caída, es precisamente la medida registrada que se utiliza para definir el tiempo.

Reloj Celsius

Esta diferencia de energía de los electrones entre niveles energéticos (medida en hertzios), es constante y particular para cada tipo de átomo. Por otro lado, para asegurar la precisión de la medición, esta caja de vibración de gas al vacío debe mantenerse en un entorno estable y a muy bajas temperaturas.

Tipos de reloj atómico

A lo largo de más de medio siglo de desarrollo de los relojes atómicos, se han utilizado diversos elementos químicos para ensamblar un reloj atómico, entre ellos, Amoníaco, Cesio, Rubidio, Hidrógeno, Mercurio, Aluminio y Estroncio, siendo los más importantes los de Cesio y Estroncio.

Reloj de átomos de Cesio-133

El primer reloj atómico con suficiente precisión y estabilidad para servir de referencia, estuvo basado en la vibración de átomos de Cesio-133 y sirvió de patrón para que la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, con sede en Paris, fijara por primera vez la duración exacta de un segundo.

El reloj de Cesio permitió un adelanto meteórico en la estandarización y calibración de aparatos de uso común y tecnológico, ya que solo se adelanta o se retrasa un segundo cada trescientos millones de años.

Sin embargo, los físicos han continuado en la búsqueda de nuevos elementos químicos y condiciones técnicas con que mejorar el reloj atómico; así, desde hace décadas se perfeccionan relojes basados en átomos de Aluminio, Mercurio o Estroncio. 

Reloj de átomos de Estroncio-38

La decisión más importante entre utilizar el Estroncio o el Cesio como base de un reloj atómico estriba en su precisión. Los átomos de Estroncio-38 son capaces de cambiar de spin de excitación 431 billones de veces por segundo, mientras que los átomos de Cesio-133 tienen una velocidad más reducida, pudiendo hacerlo únicamente nueve mil millones de veces por segundo, lo que por supuesto, limita su precisión frente al primero.

La estabilidad del reloj atómico de Estroncio ha ido afinándose desde su primera versión. En 2015 fue actualizada la precisión y estabilidad con la que se calibra un segundo, y más recientemente, un grupo de investigación de la Universidad de Colorado -en concordancia con El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos- logró un nuevo ajuste, certificando que este nuevo reloj atómico puede estar haciendo tic-tac de manera perfecta y sin desviación durante mil veces la edad que tiene el universo. 

Utilidad de los relojes atómicos

Mejorar la precisión del tiempo condiciona la calidad de muchos productos de vanguardia. El estándar de precisión marcado por el segundo atómico, definido según el reloj de Estroncio-38, permite la calibración y sincronización precisa de relojes oficiales en todo el mundo. 

También se calibran los sistemas mundiales de GPS, sistemas de navegación autónoma, las medidas de desempeño deportivo y récords mundiales, la coordinación de actividades ligadas a las misiones espaciales, la transacción de acciones en bolsas de valores, o la valoración de los efectos de la Teoría de la Relatividad de Einstein.

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