Reloj atómico ultrapreciso preparado para nuevos descubrimientos físicos

Los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han fabricado uno de los relojes atómicos de mayor rendimiento de la historia, anunciaron el 16 de febrero en la revista Nature. Su instrumento, conocido como reloj atómico de celosía óptica, puede medir diferencias en el tiempo con una precisión equivalente a perder solo un segundo cada 300 mil millones de años y es el primer ejemplo de un reloj óptico “multiplexado”, donde pueden existir seis relojes separados en el mismo entorno. Su diseño permite al equipo probar formas de buscar ondas gravitacionales, intentar detectar materia oscura y descubrir nueva física con relojes. “Los relojes de celosía óptica ya son los mejores relojes del mundo, y aquí tenemos este nivel de rendimiento que nadie ha visto antes”, dice Shimon Kolkowitz, profesor de física de la UW-Madison y autor principal del estudio. “Estamos trabajando tanto para mejorar su rendimiento como para desarrollar aplicaciones emergentes que estén habilitadas por este rendimiento mejorado”. Los relojes atómicos son tan precisos porque aprovechan una propiedad fundamental de los átomos: cuando un electrón cambia de nivel de energía, absorbe o emite luz con una frecuencia que es idéntica para todos los átomos de un elemento en particular. Los relojes atómicos ópticos marcan la hora mediante el uso de un láser que está sintonizado para coincidir con precisión con esta frecuencia, y requieren algunos de los láseres más sofisticados del mundo para mantener la hora exacta. En comparación, el grupo de Kolkowitz tiene “un láser relativamente malo”, dice, por lo que sabían que cualquier reloj que construyeran no sería el más exacto o preciso por sí solo. Pero también sabían que muchas aplicaciones posteriores de relojes ópticos requerirán láseres portátiles disponibles comercialmente como el suyo. Diseñar un reloj que pudiera usar láseres promedio sería una bendición. En su nuevo estudio, crearon un reloj multiplexado, donde los átomos de estroncio se pueden separar en múltiples relojes dispuestos en línea en la misma cámara de vacío. Usando solo un reloj atómico, el equipo descubrió que su láser solo podía excitar electrones de manera confiable en la misma cantidad de átomos durante una décima de segundo. Sin embargo, cuando hicieron brillar el láser en dos relojes en la cámara al mismo tiempo y los compararon, la cantidad de átomos con electrones excitados se mantuvo igual entre los dos relojes hasta por 26 segundos. Sus resultados significaron que podían realizar experimentos significativos durante mucho más tiempo de lo que permitiría su láser en un reloj óptico normal. “Normalmente, nuestro láser limitaría el rendimiento de estos relojes”, dice Kolkowitz. “Pero debido a que los relojes están en el mismo entorno y experimentan exactamente la misma luz láser, el efecto del láser desaparece por completo”. A continuación, el grupo preguntó con qué precisión podían medir las diferencias entre los relojes. Dos grupos de átomos que se encuentran en entornos ligeramente diferentes marcarán velocidades ligeramente diferentes, según la gravedad, los campos magnéticos u otras condiciones. Ejecutaron su experimento más de mil veces, midiendo la diferencia en la frecuencia de tictac de sus dos relojes por un total de alrededor de tres horas. Como era de esperar, debido a que los relojes estaban en dos lugares ligeramente diferentes, el tic-tac era ligeramente diferente. El equipo demostró que a medida que tomaban más y más medidas, podían medir mejor esas diferencias. En última instancia, los investigadores pudieron detectar una diferencia en la frecuencia de tictac entre los dos relojes que correspondería a que discrepan entre sí por solo un segundo cada 300 mil millones de años, una medida de cronometraje de precisión que establece un récord mundial para dos relojes espacialmente separados. También habría sido un récord mundial para la diferencia de frecuencia más precisa en general si no fuera por otro artículo, publicado en la misma edición de Nature. Ese estudio fue dirigido por un grupo de JILA, un instituto de investigación en Colorado. El grupo JILA detectó una diferencia de frecuencia entre la parte superior e inferior de una nube dispersa de átomos unas 10 veces mejor que el grupo UW-Madison. Sus resultados, obtenidos con una separación de un milímetro, también representan la distancia más corta hasta la fecha en la que se ha probado con relojes la teoría general de la relatividad de Einstein. El grupo de Kolkowitz espera realizar pronto una prueba similar. “Lo sorprendente es que demostramos un rendimiento similar al del grupo JILA a pesar del hecho de que estamos usando un láser peor en órdenes de magnitud”, dice Kolkowitz. “Eso es realmente significativo para muchas aplicaciones del mundo real, donde nuestro láser se parece mucho más a lo que llevaría al campo”. Para demostrar las aplicaciones potenciales de sus relojes, el equipo de Kolkowitz comparó los cambios de frecuencia entre cada par de seis relojes multiplexados en un bucle. Descubrieron que las diferencias suman cero cuando regresan al primer reloj del ciclo, lo que confirma la consistencia de sus mediciones y establece la posibilidad de que puedan detectar pequeños cambios de frecuencia dentro de esa red. “Imagine que una nube de materia oscura pasa a través de una red de relojes, ¿hay formas en que pueda ver esa materia oscura en estas comparaciones?” pregunta Kolkowitz. “Ese es un experimento que podemos hacer ahora que simplemente no podías hacer en ningún sistema experimental anterior”. Este trabajo fue apoyado en parte por el programa de Subvenciones de Mediciones de Precisión del NIST, el Centro de Física Fundamental de la Universidad Northwestern y la Fundación John Templeton a través de una subvención de Física Fundamental, la Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin, la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-21-1-0012 ), y una beca Packard para ciencia e ingeniería.