Un equipo de investigación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) construyó recientemente el reloj más preciso del mundo. Impulsado por un único ion de aluminio en su núcleo, el nuevo reloj atómico óptico permite mediciones del tiempo extremadamente precisas, con una incertidumbre de frecuencia fraccionaria tan baja como 5,5 × 10⁻¹⁹, lo que significa que tarda un segundo más rápido o más lento que la edad del universo. Al mismo tiempo, la estabilidad de frecuencia fraccionaria del reloj alcanza los 3,5 × 10⁻¹⁶/√τ segundos, que es 2,6 veces mayor que la de otros relojes de iones actuales.

(De izquierda a derecha) Mason Marshall, David Hume, Willa Arthur-Dvorak y Daniel Rodríguez-Castillo se encuentran frente al reloj atómico de iones de aluminio del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Tras recientes mejoras, el reloj atómico no sólo allanará el camino para redefinir el segundo, sino que también permitirá nuevas exploraciones en física.

Los relojes atómicos ópticos se juzgan por su precisión (qué tan cerca están del tiempo "real") y su estabilidad (consistencia de las mediciones). El logro de este récord se debe a los 20 años de investigación, desarrollo y optimización continuos del equipo del láser, la trampa de iones y la cavidad de vacío del reloj atómico de iones de aluminio. "Es emocionante participar en el desarrollo de los relojes más precisos", afirmó el investigador del NIST Mason Marshall, primer autor del artículo.

El reloj se basa en mediciones de espectroscopía de lógica cuántica de un solo ion ²⁷Al⁺, con un ion ²⁵Mg⁺ atrapado en él para ayudar con el "enfriamiento homomórfico" y leer el estado del ion de aluminio. El "golpe" del aluminio es extremadamente estable y tiene un impacto mínimo sobre la temperatura y el campo magnético. Es muy adecuado para medir el tiempo, pero el control del láser es difícil. Los iones de magnesio son más fáciles de controlar, por lo que se utilizan para ayudar al enfriamiento y permitir a los investigadores leer indirectamente la señal de los iones de aluminio.

Las innovaciones importantes del equipo de investigación incluyen extender el tiempo de detección de Rabi a 1 segundo, lo que se logra transmitiendo de manera estable luz láser desde una cavidad de silicio ultrafría de forma remota desde el laboratorio JILA al laboratorio del equipo NIST (a 3,6 kilómetros de distancia). Esta tecnología reduce la inestabilidad del reloj en aproximadamente un tercio en comparación con los relojes anteriores de iones de aluminio.

El físico David Hume del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) sostiene una trampa de iones recientemente modificada para un reloj de iones de aluminio. Al modificar la trampa, los iones de aluminio y sus partículas de iones de magnesio pueden continuar funcionando sin ser molestados.

Además, el equipo también creó un nuevo diseño de la trampa de iones para reducir los micromovimientos redundantes (movimientos tan pequeños e inesperados afectarán la precisión del tiempo); seleccionaron obleas de diamante más gruesas y ajustaron el revestimiento metálico de los electrodos para corregir el desequilibrio del campo eléctrico. La cámara de vacío también se actualizó a aleación de titanio y la cantidad de hidrógeno de fondo se redujo 150 veces, lo que extiende en gran medida el tiempo de "retención" de los iones en el dispositivo y reduce el error de colisión de las moléculas de hidrógeno.

El equipo también realizó mediciones de sensibilidad de la dirección del campo magnético de CA en la trampa de radiofrecuencia, eliminando la incertidumbre causada por la orientación del campo magnético.

Una nueva trampa de iones mejorada para el reloj de iones de aluminio del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). El recuadro muestra una imagen CCD de un par de iones aluminio-magnesio. El círculo marca la ubicación del ion de aluminio; este ion es oscuro para la cámara porque solo puede leerse mediante espectroscopía de lógica cuántica a través de iones de magnesio.

Varias innovaciones permiten que el reloj alcance 19 decimales de precisión en aproximadamente 36 horas, en lugar de las tres semanas anteriores. La estudiante graduada del NIST Willa Arthur-Dworschack dijo: "Con esta plataforma, exploraremos nuevas estructuras de relojes de iones múltiples e incluso iones entrelazados para mejorar aún más las capacidades de medición".

Se espera que este avance redefina la duración del "segundo" con mayor precisión y abra nuevas perspectivas en los campos de las ciencias de la tierra y la física básica, incluidas cuestiones científicas básicas como verificar si las constantes de la naturaleza son realmente constantes.