La precisión en la medición del tiempo es importante; controla desde nuestra rutina diaria hasta el transporte aéreo. Los sistemas modernos de cronometraje en la Tierra y el sistema global de navegación por satélite (GPS) dependen en gran medida de los relojes atómicos.
Probablemente no estemos consientes, pero medir el tiempo es un gran desafío técnico. Hoy en día, para la medición precisa del tiempo se utiliza principalmente un reloj atómico basado en las transiciones entre niveles de energía de los átomos.
Aunque para la mayoría de nosotros pueden parecer extremadamente precisos, los relojes atómicos, que miden el tiempo observando las oscilaciones ultraprecisas de átomos individuales, son imperfectos.
Por esta razón es que los investigadores siempre se esfuerzan por construir uno que sea un poco más preciso.
Los relojes atómicos tradicionales que usan átomos calientes casi han llegado a sus límites, especialmente con respecto a la estabilidad a largo plazo. Un enfoque para mejorar aún más el rendimiento de los relojes atómicos, se basa en el enfriamiento de los átomos, un principio que fundamenta los llamados relojes atómicos fríos.
En este tipo de relojes, los átomos se enfrían con láseres a temperaturas del orden de varios cientos de nanokelvins, y luego leen la frecuencia de oscilación de los átomos, aplican un campo magnético oscilante y miden la población de los niveles de energía; esta técnica es llamada interferometría de Ramsey.
Basados en este concepto, en noviembre del año 2017, científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) construyeron el reloj atómico más preciso construido hasta ahora; su error no supera 10 -18 , es decir, un desfase de menos de un segundo durante 30 mil millones de años.
Si bien los relojes atómicos fríos han permitido mejorar la precisión en la medición del tiempo, su funcionamiento sólo se ha probado en la Tierra, y todavía no sé conoce cómo se comportarán en el espacio.
Para llevar a cabo tal revisión, es necesario reducir significativamente el consumo de energía, el volumen y peso, así como cumplir con los estándares de compatibilidad para campos electromagnéticos fabricados, radiación térmica y carga mecánica para misiones espaciales, y conjuntamente, proteger el reloj de las fluctuaciones en el campo magnético de la Tierra y los efectos de los rayos cósmicos.
En este sentido, un equipo de investigadores del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai en la Academia de Ciencias de China, anunció oficialmente que habían operado con éxito un reloj atómico frío en órbita, a bordo de la estación espacial china Tiangong-2, durante más de 15 meses.
En ese lapso de tiempo, la precisión del reloj estuvo en el nivel de 10 -13, equivalente a un error de un segundo durante 160 mil años. Desafortunadamente, fue imposible medirlo directamente en órbita, por lo que los científicos sólo proporcionaron mediciones basadas en tierra con un maser de hidrógeno.
Sin embargo, otras características observables del reloj, por ejemplo, el ancho de la resonancia, no han cambiado, lo que indica la estabilidad de su operación. Por lo tanto, los científicos han demostrado que un reloj atómico frío se puede utilizar para medir el tiempo en el espacio.
Los investigadores creen que los relojes atómicos fríos ayudarán a aumentar la precisión de las mediciones en varios experimentos espaciales, servirán para el desarrollo de la próxima generación de sistemas de navegación, permitirán avanzar en la medición de las constantes físicas fundamentales y en la verificación de la teoría de la relatividad general.
Referencia: In-orbit operation of an atomic clock based on laser-cooled 87Rb atoms. Nature Communications, 2018. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05219-z
