Reloxo atómico

Un reloxo atómico é un tipo de reloxo que para alimentar o seu contador emprega unha frecuencia de resonancia atómica normal. Os primeiros reloxos atómicos tomaban a súa referencia dun máser.^[1] As mellores referencias atómicas de frecuencia (ou reloxos) modernas baséanse en física máis avanzada, que involucra átomos fríos e fontes atómicas. As axencias de normas nacionais manteñen unha exactitude de 10^-9 segundos por día^[2] e unha precisión igual á frecuencia do transmisor da radio que bombea o máser.

Os reloxos atómicos manteñen unha escala de tempo continua e estable, o Tempo Atómico Internacional (TAI). Para uso cotián difúndese outra escala cronolóxica, o Tempo Universal Coordinado (UTC). O UTC deriva do TAI, mais sincronízase empregando segundos de intercalación co Tempo Universal (UT1), que se basea na transición día–noite segundo as observacións astronómicas.

O primeiro reloxo atómico que se construíu no Willard Frank Libby dos Estados Unidos en 1949 baseouse en ideas sobre un fenómeno extremadamente regular: a resonancia magnética molecular e atómica, de Isidor Isaac Rabi, Premio Nobel de Física,^[3] aínda que a precisión conseguida mediante amoníaco (molécula empregada polo prototipo do National Institute of Standards and Technology, NIST) non era moi superior aos estándares da época, baseados en osciladores de cuarzo.

Na actualidade, os mellores padróns de frecuencia atómicos baséanse nas propiedades físicas das fontes de emisión de cesio. O primeiro reloxo atómico de cesio construíuse en 1955 no National Physical Laboratory (NPL), en Inglaterra. Os seus creadores foron Louis Essen e John V.L Parry.^[4]

En 1967 os reloxos atómicos baseados no cesión conseguiran fiabilidade suficiente para que a Oficina Internacional de Pesos e Medidas escollese a frecuencia de vibración atómica dos dispositivos creados e perfeccionados por Essen como novo padrón base para a definición da unidade de tempo físico. Segundo este padrón, un segundo correspóndese con 9 192 631 770 ciclos da radiación asociada á transición hiperfina desde o estado de repouso do isótopo de cesio 133: (¹³³Cs).

A precisión acadada con este tipo de reloxo atómico é tan elevada que admite unicamente un erro dun segundo en 30 000 000 anos. O reloxo máis preciso do mundo deseñouse no Observatorio de París, onde os actuais reloxos atómicos tardarían 52 millóns de anos para desfasarse un segundo. O novo obxectivo da investigación francesa é aumentar ese prazo a 32 mil millóns de anos. O estándar actual dos reloxos atómicos en activo permite o atraso dun segundo cada 3700 millóns de anos.

Lord Kelvin suxeriu por primeira vez en 1879 a idea de empregar a vibración atómica para medir o tempo.^[5] O método práctico para realizalo converteuse na resonancia magnética, desenolvida na década de 1930 por Isidor Isaac Rabi.^[3] O primeiro reloxo atómico foi un dispositivo de máser de amoníaco construído en 1949 na Oficina Nacional de Normas dos Estados Unidos, NBS (actualmente NIST). Era menos exacto que os reloxos de cuarzo existentes, mais serviu para demostrar o concepto.^[6] O primeiro reloxo atómico exacto foi un estándar de cesio sobre a base dunha certa transición do átomo de ¹³³Cs, construído por Louis Essen en 1955 no Laboratorio Nacional de Física (Reino Unido). A calibración do reloxo atómico estándar de cesio efectuouse mediante a escala cronolóxica astronómica tempo de efemérides (TE).

Isto conduciu á definición de segundo acordada internacionalmente en 1967 polo Sistema Internacional de Unidades (SI), baseada no tempo atómico. Verificouse que a igualdade do segundo ET co segundo SI é dunha precisión de 1 parte en 10¹⁰.^[7] O segundo SI herda así o efecto das decisións dos deseñadores orixinais da escala cronolóxica ET: tempo de efemérides, a determinación da duración do segundo ET.

Desde o comezo do desenvolvemento na década de 1950, os reloxos atómicos fixéronse sobre a base hiperfina (microondas) das transicións en ¹H,¹³³Cs e ⁸⁷Rb. O primeiro reloxo atómico comercial foi Atomichron, fabricado pola National Company. Vendéronse máis de 50, entre 1956 e 1960. A esta máquina, voluminosa e cara, substituíronse posteriormente dispositivos moito máis pequenos, de montaxe en rack, como o modelo 5060 de Hewlett-Packard estándar, de frecuencia de cesio, lanzado en 1964.^[3]

A finais da década de 1990, catro factores contribuíron a importantes avances neste tipo de reloxos:^[8]

• Arrefriamento láser e atrapado de átomos
• Cavidades de alta finura de Fabry-Pérot para liñas láser angostas
• Espectroscopia láser de precisión
• Un conveniente reconto de frecuencias ópticas empregando peites ópticos

En agosto de 2004, científicos do NIST demostraron un reloxo atómico á escala dos chips.^[9] Segundo os investigadores, o tamaño do reloxo sería da centésima parte de calquera outro. Tamén se proclamou que requiría só 75 miliwatts (mW),^[10] o que é idóneo para aplicacións sustentadas en enerxía a base de pilas. Esta tecnoloxía está dispoñible comercialmente desde 2011.^[11]

En abril de 2015, a NASA anunciou que planeaba construír un Deep Space Atomic Clock (DSAC), reloxo atómico de mercurio miniaturizado e ultrapreciso no espazo profundo. Informou de que o DSAC sería moito máis estable que outros reloxos de navegación.^[12]

O reloxo mecánico depende dun péndulo para funcionar. O atómico traballa mediante a frecuencia das transicións enerxéticas hiperfinas (nos rangos de microondas) nos átomos.

Nun extremo do reloxo de cesio hai un forno cunha placa de cesio, do que se evaporan ións deste metal. Os ións preséntanse en dous estados dependentes do spin do último electrón do cesio. A diferenza de enerxía entre estes dous estados corresponde a unha frecuencia de 9 192 631 770 Hz. En cada estado as propiedades magnéticas dos ións son diferentes. Trala evaporación emprégase un imán para separar os ións e descartar os de maior enerxía. Os ións de menor enerxía resitúanse nunha cámara.

O verdadeiro reloxo é un oscilador electrónico que xera pulsos dunha frecuencia axustable. Axústase á correspondente á transición hiperfina do cesio polo proceso de realimentación seguinte: un radioemisor de microondas enche de xeito uniforme a cavidade da cámara con ondas radioeléctricas da frecuencia do oscilador electrónico. Cando a frecuencia da onda radiada se acopla coa frecuencia da transición hiperfina do cesio, os ións de cesio absorben a radiación e emiten luz. Unha cela fotoeléctrica é sensible á luz emitida e está conectada ao oscilador electrónico con instrumentación electrónica.

Para realizar a medición mediante estas partículas cómpre crear un campo electromagnético que non existe naturalmente no Universo. O proceso realízase dentro dunha "trampa magneto-óptica", esfera do tamaño dun melón, en que se inxectan átomos de cesio que, confinados nun campo magnético, propagan seis raios de luz láser. De igual xeito que unha persoa diminúe o seu paso ante unha ráfaga de vento, os átomos reducen a súa velocidade ao seren bombardeados polos láseres emitidos en todas as direccións. Mediante este método os átomos poden reducir a súa velocidade ata facela dez mil veces máis lenta do normal. Cando os átomos e os láseres chocan, fórmase unha nube de átomos moi lentos ou ultrafríos.

Os usos máis frecuentes dos reloxos atómicos son:

• Redes de telefonía
• Sistemas de Posicionamento Global (GPS)
• Medición do tempo
• Calibración de equipos

• National Research Council Canada, FAQ: "What is a 'cesium atomic clock'?"
• National Research Council Canada, archived content: Optical frequency standard based on a single trapped ion
• United States Naval Observatory Time Service Department Arquivado 26 de agosto de 2019 en Wayback Machine.
• PTB Braunschweig, Germany – with link in English language
• National Physical Laboratory (UK) time website
• NIST Internet Time Service (ITS): Set Your Computer Clock Via the Internet
• NIST press release about chip-scaled atomic clock
• NIST website
• Web pages on atomic clocks Arquivado 24 de setembro de 2015 en Wayback Machine. by Science Museum (Londres)
• Optical Atomic Clock BBC, 2005
• Optical lattice clock; Journal of the Physical Society of Japan
• The atomic fountain
• National Research Council of Canada, archived content: Optical Frequency Comb – The Measurement of Optical Frequencies