Trabajo 1: Reloj Atómico y de Iones

Juan Daniel Bustillos Camargo

Física Atómica y Materia Condensada

Dr. José Ignacio Jiménez Mier y Terán

Resúmen

Se presentan los aspectos generales de la definición del segundo así como una intro-ducción del reloj atómico y el reloj de iones propuesto por N. Huntenmann et al. en2015. El texto tiene la intención de mostrar explícitamente la relación de los temasdesarrollados en clase con el funcionamiento de estos dos relojes así como mostrar eldesarrollo histórico de la definición del segundo.

Hasta 1967 el segundo se definía como la ochenta y seis mil cuatrocientosavaparte de la duración que tuvo el día solar medio entre los años 1750 y 1890, fueen 1955 cuando Louis Essen desarrolló el primer reloj atómico exacto, fue unestándar en los años siguientes para la nueva definición del segundo. Según elSistema Internacional de Unidades la definición está basada en el relój atómicode Cesio: un segundo es la duración de 9 192 631 770 oscilaciones de la radiaciónemitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamentaldel isótopo 133 del átomo de cesio (133Cs), a una temperatura de 0K lograndouna incertidumbre relativa de 6.4× 1018[1].

Fig.1 Un reloj atómico implementado

en un circuito integrado desarrollado

por el NIST.

En un reloj atómico de Cesio se mide la fre-cuencia de las transiciones energéticas hiperfinasen los átomos. En este hay un horno con unaplaca de cesio, del cual se evaporan los iones deeste metal. Los iones se presentan en dos es-tados dependientes del espín del último electróndel cesio. La diferencia de energía entre estosdos estados corresponde a una frecuencia de 9 192631 770Hz. En otra sección del reloj se envíanpulsos que se ajustan a la frecuencia de transi-ción hiperfina del cesio, haciendo que los ionesabsorban energía y emitan luz a una cierta fre-cuencia, otros dispositivos cuentan esta frecuen-cia, haciendo una señal (correspondiente a 1 se-gundo) cuando la frecuencia de resonancia es al-canzada.[2]

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Un gran número de grupos de investigación han tratado de disminuir laincertidumbre usando relojes atómico-óptico (de iones), el primer grupo en al-canzar este objetivo fue el grupo PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt),usando un reloj de un solo ion. Su reloj óptico de Iterbio (Yb+) consiguió unamedida del tiempo con una incertidumbre relativa de tan solo 3 × 10−18. Laresolución alcanzada con el reloj de Iterbio es aproximadamente cien veces mejorque la alcanzada con los mejores relojes de Cesio. Para alcanzar este resultado,los investigadores del PTB usaron propiedades únicas del Yb+. Este ion tienedos transiciones interesantes que son ideales para ser aplicadas en un reloj óp-tico.[1][3]

Fig.2 Reloj de iones ultra-estable desarrol-

lado por el NIST.

El funcionamiento del reloj de Yb+ es sim-ilar al de un reloj atómico, sólo que en este seconfina un solo ion de yterbio el cual es atrapadoentre tres láseres de 370nm, 935nm y 760nm, loscuales hacen oscilar al ion a una cierta frecuen-cia entre dos niveles de energía mientras unamaquina registra el número de oscilaciones. Unade las transiciones remarcables es la transiciónal estado F 2S1/2(F = 0) →2 F7/2(f = 3), lacual tiene un tiempo de vida extremadamentelargo de aproximadamente 6 años, es especial-mente útil debido a su pequeña interacción conel campo eléctrico y magnético además de que la gran masa del ion implica unmuy pequeño movimiento residual. La otra transición remarcable es la transi-ción S1/(F = 0)→2 D3/2(F = 2), la cuál exhibe variaciones de altas frecuenciasy es usado como un sensor para optimizar y controlar las condiciones del op-eramiento del reloj. Otra gran ventaja es que las longitudes de onda de losláseres usados para excitar Yb+, están en el rango en el que láseres con semi-conductores pueden ser usados. Se estima que estos relojes son tan precisos,que para que haya un desfase de un segundo en uno de ellos pasarán miles demillones de años. En la figura 3 se muestran las transiciones en las que se basael reloj de Yterbio:[4][5]

Para el entendimiento de las transiciones y del diagrama de los niveles deenergía de la fig. 3 y en general del funcionamiento de los relojes atómicos yde iones, es necesario conocer temas como estructura fina e hiperfina, niveles deenergía, transiciones electrónicas, láseres así como el estudio de átomos multi-electrónicos. Estos temas se han desarrollaron a lo largo del curso, los relojesatómicos y de iones son excelente ejemplo de la utilidad de la física atómicaen todas las ramas del quehacer humano. Los relojes de alta precisión tienenmuchas utilidades. Mediciones la precisión obtenida con los relojes ópticos abrenla posibilidad de cambios en las "constantes" de la naturaleza. Una de las im-plicaciones más importantes es la de poder probar las leyes de la física talescomo la teoría de la relatividad especial y general, otra aplicación puede ser lanavegación autónoma ultra-precisa ya sea para autos o aviones.

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Fig.3 Diagrama de los niveles de energía así como las transiciones en las que se basa el

funcionamiento del reloj de Yb. Recuperado de http://www.npl.co.uk/science-technology/time-

frequency/research/optical-frequency-standards/ytterbium-ion-optical-frequency-standard

Bibliografía[1] Nicholson, T. L., Campbell, S. L., Hutson, R. B., Marti, G. E., Bloom, B. J., McNally, R.L., . . . Ye, J. (2015). Systematic evaluation of an atomic clock at 2 × 10−18 total uncertainty.NatureCommunications, 6(1). https://doi.org/10.1038/ncomms7896

[2] Michael A. Lombardi. (Dic/2007). NCSL INTERNATIONAL measure. The Journal ofMeasurement Science, 2, 54.

[3] Physikalisch-Technische Bundesanstalt. (2016). The most accurate optical single-ion clockworldwide. 4/abril/2018, de Physikalisch-Technische Bundesanstalt de https://phys.org/news/2016-02-accurate-optical-single-ion-clock-worldwide.html

[4] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). (2016, February 10). Most accurate opticalsingle-ion clock worldwide: Scientists reduce the measurement uncertainty of their ytterbium clockdown to 3 E-18. ScienceDaily. Recuperado April 2, 2018 dewww.sciencedaily.com/releases/2016/02/160210 134952.htm

[5] Huntemann, N., Sanner, C., Lipphardt, B., Tamm, C., Peik, E. (2016). Single-Ion Atomic

Clock with3×10−18Systematic Uncertainty. Physical Review Letters, 116(6).

https://doi.org/10.1103/physrevlett.116.063001