¿Cómo funciona un reloj atómico?

Es unas de las máquinas más perfectas jamás construidas por el ser humano y a la vez una de las más desconocidas. Hoy analizo algunas de las singularidades del reloj atómico.

La inmensa mayoría de los relojes que usamos tienen una precisión más que aceptable para nosotros, pero a menudo insuficiente para la comunidad científica, que necesita medir fenómenos que a veces duran tan sólo millonésimas de segundo.

Para este tipo de mediciones tan exactas, se emplean los denominados relojes atómicos, cuyo funcionamiento se basa en el cálculo del tiempo que duran los cambios de energía en los átomos. Asimismo, cada uno de los elementos tiene una frecuencia (tiempo que duran dichos cambios de energía) y oficialmente, un segundo se consideran 9.192.631.770 ciclos de un átomo de cesio (Cs). Además, su precisión depende de varios factores como el número de átomos: cuántos más átomos mucho mejor. Para que os hagáis una idea, la precisión es proporcional a la raíz cuadrada del número de átomos empleados.

En realidad, estos instrumentos son osciladores electrónicos. Las frecuencias antes mencionadas se unen a las frecuencias de la transición hiperfina (alteración de los niveles energéticos atómicos) del cesio, lo que provoca que sus iones emitan luz. Y así, esa luz es captada por celdas fotoeléctricas, que envían la energía a varios aparatos electrónicos que realizan la medición.

En 1949 se construyó el primer reloj atómico de la historia, diseñado por Harold Lyons para el NIST (National Institute of Standards and Technology). No paran de batir récords de precisión Este reloj consistía en un enorme cilindro de acero de 1,70 metros de altura que albergaba una cámara de vacío con átomos de cesio en movimiento. Una máquina que supuso un antes y un después en la historia de la medición del tiempo, pero que ha quedado muy atrás respecto a los relojes atómicos actuales. Además, las técnicas utilizadas para su diseño abarcan un espectro muy amplio que permite la fabricación de relojes basados en distintos elementos.

Reloj atómico de estroncio. Fuente: NIST

Uno de los más innovadores es el reloj diseñado y construido el pasado año por el NIST y la Universidad de Colorado. Una obra increíble en la que ciencia e ingeniería se entrelazan para lograr la perfección absoluta, o casi. Esta fabricado a partir de estroncio (Sr) y basa su funcionamiento en la interacción de los átomos con un láser: dichos átomos son atrapados por un láser rojo dentro de un pequeño espacio en forma de panqueque, lo que provoca que modifiquen sus estados energéticos. Estas modificaciones representan los “tics” del reloj, que experimenta unos 430.000.000.000.000 “tics” por segundo. De este modo, semejante prodigio tiene una precisión de 1 segundo cada 5 billones de años. Casi nada.

Este tipo de relojes son capaces de medir el tiempo en attosegundos, es decir, en la trillonésima parte de un segundo. De hecho, el reloj del NIST y la Universidad de Colorado logró hace unos meses el récord de precisión al conseguir una variación mínima de 2,1 attosegundos gracias a varias mejoras en su diseño interno. Simplemente espectacular.

Son registros que permiten aventurar un futuro no muy lejano en el que los relojes atómicos superen la barrera del attosegundo. Poco nos queda para la lograr la perfección en la medición del tiempo.

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