Resumen:
Investigadores del Centro de Tecnología Cuántica de la Universidad Nacional de Singapur anunciaron recientemente un importante avance en el campo de los relojes atómicos. Utilizaron el lutecio, un elemento de tierras raras, para crear un nuevo tipo de reloj atómico óptico y, mediante una comparación precisa entre dos relojes atómicos del mismo tipo, la incertidumbre del sistema se redujo a 1,2 × 10⁻¹⁹. El equipo de investigación cree que este resultado convierte al reloj atómico de lutecio en uno de los dispositivos de cronometraje más precisos actualmente disponibles y se espera que se convierta en una tecnología candidata para redefinir el "segundo" en el Sistema Internacional de Unidades en el futuro.
Este estudio se produce mientras la comunidad global de metrología está considerando si es necesario redefinir la definición básica de "segundo". Un segundo en el actual Sistema Internacional de Unidades se define en función de la frecuencia de transición entre los dos niveles de energía hiperfina del estado fundamental del átomo de cesio-133, que son 9192631770 transiciones de microondas específicas. El cesio ha sido el material central de los relojes atómicos desde la década de 1960, pero con el rápido desarrollo de la tecnología de relojes atómicos ópticos, la próxima generación de relojes atómicos fabricados con elementos como el estroncio, el iterbio y el calcio ha podido lograr una precisión mucho mayor que los relojes atómicos de cesio tradicionales.
El principio básico de los relojes atómicos ópticos es utilizar láseres para controlar con precisión los electrones en los átomos, haciendo que los electrones realicen una transición entre dos estados cuánticos, y medir el tiempo midiendo la frecuencia de esta transición. La transición cuántica de los electrones puede entenderse como un "péndulo" extremadamente estable. Siempre que esta oscilación pueda controlarse y medirse con suficiente precisión, se puede obtener una base de tiempo excepcionalmente precisa.
El lutecio es de interés para los investigadores porque el elemento tiene algunas propiedades que lo hacen ideal para construir relojes atómicos de alta precisión. El lutecio es un elemento lantánido con una gran masa atómica y su estructura electrónica lo hace relativamente menos afectado por factores ambientales. En particular, no es sensible a la radiación térmica ni a los cambios del campo magnético, por lo que puede reducir los errores sistemáticos causados por factores ambientales en el proceso de sincronización.
Los investigadores dijeron que esta característica del reloj atómico de lutecio significa que incluso si la temperatura ambiente cambia significativamente o las condiciones del campo magnético cambian, el reloj atómico aún puede mantener un rendimiento de sincronización relativamente estable. Murray Barrett, líder del equipo de investigación y físico de la Universidad Nacional de Singapur, incluso dijo que si este reloj atómico se lleva desde un ambiente de temperatura extremadamente alta como el Valle de la Muerte en los Estados Unidos a un ambiente de temperatura extremadamente baja como la Meseta Antártica, aún puede mantener una estabilidad muy alta.
El lutecio también tiene una ventaja muy importante, es decir, su frecuencia de transición atómica asociada es muy alta, unas 10.000 veces la frecuencia utilizada por los relojes atómicos de cesio. Una mayor frecuencia de "tick" significa que se pueden obtener más ciclos de medición por unidad de tiempo, proporcionando así la base para una medición del tiempo de extremadamente alta precisión.
Sin embargo, el lutecio es también uno de los elementos de tierras raras más raros de la Tierra y también es un elemento relativamente poco estudiado. Esto significa que, aunque en teoría es muy adecuado como material para relojes atómicos, los científicos no han comprendido completamente cómo se comportan realmente los átomos de lutecio en un entorno de cronometraje de alta precisión.
El equipo de Murray Barrett ha estado trabajando en relojes atómicos de lutecio durante unos 10 años. En el último experimento, los investigadores construyeron dos relojes atómicos de iones de lutecio y los compararon entre sí según estrictos estándares metrológicos. A través de años de datos experimentales acumulados e investigaciones en profundidad sobre las características de los propios iones de lutecio, el equipo finalmente redujo la incertidumbre del sistema a 1,2×10⁻¹⁹.
Este número representa la escala de error sistemático que puede tener un reloj atómico al medir su propia frecuencia. Para comprender qué tan alta es esta precisión, considérelo como una pequeña fracción de la incertidumbre por 10¹⁹ unidades de tiempo. Anteriormente, investigadores de la Academia de Ciencias de China utilizaron relojes atómicos de iones de calcio este año para lograr una incertidumbre del sistema de 4,4×10⁻¹⁹, por lo que el 1,2×10⁻¹⁹ anunciado por el equipo de Singapur actualizó aún más este indicador.
Sin embargo, medir la precisión de los relojes atómicos también es una tarea extremadamente difícil. Después de alcanzar este nivel, ni siquiera las diferencias en la propia gravedad de la Tierra pueden ignorarse. Según la relatividad general, cuanto más fuerte es la fuerza de gravedad, más lento pasa el tiempo. Con este nivel de precisión, incluso una diferencia de altura de sólo unos pocos milímetros entre dos relojes atómicos podría producir una diferencia de tiempo lo suficientemente grande como para afectar los resultados experimentales debido a sus diferentes distancias al núcleo de la Tierra.
En otras palabras, cuando los científicos cortan un segundo en billones o más porciones de tiempo extremadamente pequeñas, las diferencias gravitacionales extremadamente débiles entre diferentes lugares de la superficie terrestre pueden convertirse en variables importantes en el experimento. Por lo tanto, el laboratorio del reloj atómico no solo necesita controlar condiciones como la temperatura, el campo magnético, el láser, etc., sino que también debe medir la posición y la altura de los dos relojes con extrema precisión.
Y esta increíble sensibilidad es precisamente uno de los valores científicos más importantes de la próxima generación de relojes atómicos. Debido a que el tiempo se ve afectado por los campos gravitacionales, si los relojes atómicos son lo suficientemente precisos, los científicos pueden incluso medir diferencias extremadamente pequeñas en la gravedad comparando cambios en el tiempo en diferentes lugares. Esta capacidad podría usarse en el futuro para mediciones precisas de la Tierra, como el estudio de estructuras subterráneas, cambios geológicos y cambios sutiles en el campo gravitacional de la Tierra.
Más importante aún, los relojes atómicos de altísima precisión también se pueden utilizar en la investigación de física básica. Los científicos esperan utilizar estos dispositivos para buscar contradicciones no resueltas entre la relatividad general y la mecánica cuántica y explorar nueva física más allá del modelo estándar. Por ejemplo, si ciertos parámetros que se consideran constantes fundamentales en la naturaleza en realidad cambian muy ligeramente con el tiempo o el entorno, entonces un reloj atómico suficientemente preciso podría capturar esta anomalía.
Al mismo tiempo, los nuevos relojes atómicos ópticos también están promoviendo cambios en el sistema de metrología internacional. Mientras varios relojes atómicos como el estroncio, el iterbio, los iones de aluminio, los iones de calcio y el lutecio siguen estableciendo récords de precisión, la comunidad científica internacional está estudiando si la definición actual de "segundo", basada en la transición de microondas de los átomos de cesio, debería ser reemplazada en el futuro por estándares de frecuencia óptica.
En comparación con los relojes atómicos de cesio tradicionales, la frecuencia de funcionamiento de los relojes atómicos ópticos es varios órdenes de magnitud mayor, por lo que, en teoría, pueden proporcionar una referencia de tiempo más precisa. Si la comunidad metrológica internacional decide redefinir el "segundo" en el futuro, estos relojes atómicos ópticos se convertirán en importantes tecnologías candidatas.
El equipo de Singapur cree que el reloj atómico de lutecio tiene un potencial particular porque no sólo puede lograr una precisión extremadamente alta, sino que también es relativamente menos sensible a los cambios en el entorno externo, lo que significa que es posible crear un sistema de sincronización de alta precisión más estable y práctico en el futuro.
Por supuesto, 1,2×10⁻¹⁹ sigue siendo la incertidumbre del sistema obtenida en condiciones de laboratorio, y eso no significa que este reloj atómico pueda mantener exactamente el mismo rendimiento en cualquier entorno. Los investigadores también necesitan realizar más mediciones y validaciones cruzadas en diferentes condiciones para confirmar aún más este registro y continuar reduciendo posibles errores sistemáticos.
El equipo de investigación cree que a medida que continúe el experimento, hay margen para seguir mejorando la precisión del reloj atómico de lutecio. El líder del equipo, Murray Barrett, incluso cree que, a juzgar por la ruta técnica actual, será difícil encontrar una solución que pueda superar fácilmente esta arquitectura en el futuro.
Esta investigación ha sido publicada en la revista Nature. Si experimentos posteriores pueden verificar aún más el rendimiento del reloj atómico de lutecio, puede que no sólo se convierta en un candidato importante para la próxima generación de puntos de referencia de tiempo global, sino que también se convierta en una nueva herramienta para estudiar la gravedad, la materia oscura y las leyes físicas básicas. En otras palabras, este dispositivo que parece simplemente "medir el tiempo con mayor precisión" en realidad está impulsando la capacidad de la humanidad para medir las leyes básicas del universo a una escala sin precedentes.
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