Reloj atómico

Un milímetro puede no parecer mucho. Pero incluso una distancia tan pequeña puede alterar el flujo del tiempo.

Según la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, los relojes van más rápido cuanto más lejos están de la Tierra o de otro objeto masivo (SN: 10/4/15). En teoría, esto debería ser cierto incluso para diferencias muy pequeñas en las alturas de los relojes. Ahora, un reloj atómico increíblemente sensible ha detectado esa aceleración en una muestra milimétrica de átomos, revelando el efecto sobre una diferencia de altura más pequeña que nunca. El tiempo se mueve ligeramente más rápido en la parte superior de esa muestra que en la inferior, informan los investigadores el 24 de septiembre en arXiv.org.

«Esto es fantástico», afirma la física teórica Marianna Safronova, de la Universidad de Delaware en Newark, que no participó en la investigación. «Pensé que se tardaría mucho más en llegar a este punto». La extrema precisión de la medición del reloj atómico sugiere el potencial de utilizar los sensibles relojes para probar otros conceptos fundamentales de la física.

Una propiedad inherente a los átomos permite a los científicos utilizarlos como relojes. Los átomos existen en diferentes niveles de energía, y una frecuencia específica de luz los hace saltar de un nivel a otro. Esa frecuencia -el ritmo de ondulación de las ondas de luz- sirve para lo mismo que el segundero de un reloj.

Para los átomos más alejados del suelo, el tiempo corre más rápido, por lo que se necesitará una mayor frecuencia de luz para hacer saltar la energía. Anteriormente, los científicos han medido este desplazamiento de frecuencia, conocido como corrimiento gravitacional, a través de una diferencia de altura de 33 centímetros (SN: 23/9/10).

En el nuevo estudio, el físico Jun Ye, del JILA en Boulder (Colorado), y sus colegas utilizaron un reloj formado por unos 100.000 átomos de estroncio ultrafríos. Estos átomos estaban dispuestos en una red, lo que significa que los átomos estaban situados a diferentes alturas, como si estuvieran en los peldaños de una escalera.

Al trazar un mapa de cómo cambiaba la frecuencia a lo largo de esas alturas, se observó un desplazamiento. Una vez corregidos los efectos no gravitacionales que podrían desplazar la frecuencia, la frecuencia del reloj cambió en aproximadamente una centésima de cuatrillonésima de porcentaje en un milímetro, justo la cantidad esperada según la relatividad general.
Imagen de un reloj atómico en el JILA
Los relojes atómicos (uno de ellos se muestra en una imagen compuesta) mantienen el tiempo midiendo la frecuencia de la luz que inicia un salto entre niveles de energía en los átomos. Este reloj atómico, situado en el JILA, es similar al utilizado en la nueva investigación de Jun Ye y sus colegas, y utiliza luz láser para mantener los átomos de estroncio en un entramado.Grupo de Ye y Baxley/JILA

Es más, tras tomar datos durante unas 90 horas, comparando el tictac de las secciones superior e inferior del reloj, los científicos determinaron que su técnica podía medir los ritmos de tictac relativos con una precisión de 0,76 millonésimas de trillonésima parte. Esto lo convierte en el récord de comparación de frecuencias más preciso jamás realizado.

En un estudio relacionado, enviado también el 24 de septiembre a arXiv.org, otro equipo de investigadores cargó átomos de estroncio en porciones específicas de una red para crear seis relojes en uno. «También es muy emocionante lo que hicieron», dice Safronova.

Shimon Kolkowitz, de la Universidad de Wisconsin-Madison, y sus colegas midieron las frecuencias relativas de dos de los relojes, separados por unos seis milímetros, con una precisión de 8,9 millonésimas de trillonésima de porcentaje, lo que habría sido un nuevo récord si no lo hubiera batido el grupo de Ye.

Con esa sensibilidad, los científicos podrían detectar una diferencia entre dos relojes que funcionaran a una velocidad tan ligeramente diferente que discreparían en apenas un segundo después de unos 300.000 millones de años. El reloj de Ye pudo detectar una discrepancia aún menor entre las dos mitades del reloj, de un segundo, acumulado en unos 4 billones de años.

Aunque el equipo de Kolkowitz aún no ha medido el desplazamiento gravitacional, el sistema podría utilizarse para ello en el futuro.
imagen de átomos de estroncio brillando en azul en una cámara de vacío.


Una nube de átomos de estroncio (punto azul brillante en el centro) está atrapada dentro de una cámara de vacío que contiene el reloj atómico de Shimon Kolkowitz y sus colegas. En el experimento, los átomos se trasladaron a diferentes partes de una red para hacer múltiples relojes atómicos en uno solo.S. Kolkowitz

Los autores de ambos estudios no quisieron hacer comentarios, ya que los trabajos aún no han pasado por el proceso de revisión por pares.

La precisión de las mediciones apunta a futuras posibilidades, dice el físico teórico Victor Flambaum, de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney. Por ejemplo, «los relojes atómicos son ahora tan precisos que podrían utilizarse para buscar la materia oscura», afirma.

Esta sustancia sigilosa y no identificada acecha invisiblemente en el cosmos; ciertos tipos hipotéticos de materia oscura podrían alterar el tictac de los relojes. Los científicos también podrían comparar los relojes atómicos fabricados con diferentes isótopos (átomos con distintos números de neutrones en sus núcleos), lo que podría indicar la existencia de nuevas partículas no descubiertas. Y los relojes atómicos pueden estudiar si las constantes fundamentales de la naturaleza pueden variar (SN: 11/2/16).

La capacidad de comparar con precisión diferentes relojes también es importante para un objetivo importante de la cronometría: actualizar la definición de un segundo (SN: 24/3/21). La duración de un segundo se define actualmente utilizando una generación anterior de relojes atómicos que no son tan precisos como los más nuevos, como los utilizados en los dos nuevos estudios (SN: 5/20/19).

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