Por William Guin, Profesional División de Metrología INN
Es importante conocer que la metrología es la ciencia que se encarga de estudiar cómo hacemos esas mediciones, qué tan exacta y precisas son y se encarga de asegurar de que todos midamos las mismas cosas de la misma manera en cualquier parte del mundo. En este artículo hablaremos de los relojes atómicos, ellos son los relojes más precisos que existen, funcionan aprovechando las propiedades de los átomos, que vibran a una frecuencia muy estable y al contar esas vibraciones, podemos medir el tiempo con una exactitud y precisión increíble.
Un nuevo tipo de reloj atómico en miniatura podría proporcionar una mejor medición del tiempo en el lapso de semanas y meses en comparación con los sistemas actuales. Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) que es el Instituto Nacional de Metrología de los EE.UU., en colaboración con investigadores de la Universidad Georgia Tech, han creado el primer reloj de haz a escala de chip de su tipo.
Los relojes atómicos adoptan muchas formas, pero el diseño más antiguo y uno de los más destacados se construye utilizando haces atómicos. Estos relojes envían un haz de átomos a través de una cámara de vacío. En un extremo de la cámara, los átomos se colocan en un estado cuántico específico y comienzan a "hacer tictac". En el otro extremo, se mide o "lee" su ritmo de tictac. Utilizando el ritmo preciso de tictac de los átomos, se pueden comparar otros relojes con los relojes de haz atómico y ajustarlos para que coincidan con su tiempo.
El NIST ha estado utilizando haces atómicos para medir el tiempo desde la década de 1950. Durante décadas, los relojes de haz se utilizaron para mantener el patrón primario del segundo, y todavía forman parte del conjunto nacional de cronometraje del NIST. Los relojes de haz son precisos, estables y exactos, pero actualmente no son los más portátiles. Las cámaras de vacío por donde viajan los átomos son clave para el éxito de estos relojes, pero son voluminosas en parte debido al tamaño de la cavidad de microondas utilizada para sondear el "tictac" atómico. La cámara de vacío NIST-7, el último reloj de haz utilizado para el patrón primario de frecuencia en los EE.UU., tenía más de 2,5 metros de largo.
Son comunes los relojes comerciales más pequeños, del tamaño de un maletín, pero aun así requieren una cantidad significativa de energía (unos 50 vatios) para funcionar. A modo de comparación, los teléfonos inteligentes requieren aproximadamente un tercio de vatio para su funcionamiento normal.
Los relojes atómicos a escala de chip (CSAC, por sus siglas en inglés) fueron desarrollados por el NIST en 2001. Los avances en las técnicas de micro-fabricación permitieron al NIST fabricar celdas de vapor, pequeñas cámaras donde se almacenan y miden los átomos del reloj, del tamaño de un grano de arroz; el reloj completo tiene aproximadamente el tamaño de una pieza de sushi. Estos relojes consumen muy poca energía y pueden funcionar con baterías para proporcionar el cronometraje en situaciones críticas a las que el GPS no puede llegar. Los CSAC han encontrado numerosas aplicaciones en la exploración submarina de petróleo y gas, la navegación militar e incluso las telecomunicaciones. Sin embargo, la hora de los relojes tiende a desviarse cuando las temperaturas cambian y el gas que rodea a los átomos se degrada.
El CSAC consume poca energía y tiene un alto rendimiento teniendo en cuenta su tamaño. Es un dispositivo maravilloso, pero se desvía después de funcionar durante unos pocos miles de segundos. Los relojes de haz existen desde los años 50 y son estables, pero aún necesitan mucha energía. Utilizando técnicas de micro-fabricación aprendidas en el CSAC, el grupo fabricó un dispositivo de haz atómico a escala de chip utilizando una pila de capas de silicio y vidrio grabadas. Este dispositivo es una versión altamente miniaturizada de las cámaras que se han utilizado en relojes de haz atómico como el NIST-7 y tiene aproximadamente el tamaño de un sello postal.
Las técnicas de construcción de celdas de vapor atómicas desarrolladas en el NIST y las matrices de microcapilares grabados desarrolladas en Georgia Tech fueron clave para reducir el tamaño de las cámaras de vacío de los relojes de haz más grandes.
En el dispositivo, una cámara contiene una pequeña pastilla de rubidio. Esa cámara se calienta, liberando una corriente de átomos de rubidio a través de microcapilares, canales de solo 100 micrómetros de ancho. Esos diminutos canales se conectan a otra cámara con materiales que pueden absorber, o recolectar, moléculas de gas individuales, llamados Captadores No Evaporables (NEG), que atraen los átomos de rubidio y los recolectan, manteniendo limpio el vacío en los microcapilares. Pequeñas varillas de grafito también ayudan a recolectar átomos extraviados a través del proceso.
En este momento, este dispositivo de haz a escala de chip es un prototipo de un reloj de haz atómico en miniatura. Las pruebas iniciales del reloj de haz a escala de chip mostraron un rendimiento a un nivel ligeramente inferior al de los CSAC existentes, pero el equipo ve un camino hacia una estabilidad mejorada. Los investigadores esperan aumentar su precisión en otro factor de 10 y superar la estabilidad de los CSAC existentes en escalas de tiempo de una semana en 100 veces.