Un nuevo tipo de reloj atómico es más preciso que cualquier otro construido hasta ahora, con la capacidad de funcionar sin problemas durante mil veces la vida útil del universo. Además de ser el mejor cronometrador hasta la fecha, el nuevo llamado reloj de gas cuántico podría algún día ofrecer información sobre la nueva física.
Los investigadores de JILA (anteriormente denominado Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio) utilizaron una combinación de átomos de estroncio y una serie de rayos láser para crear un reloj tan preciso que podría medir la interacción de la gravedad a escalas más pequeñas que nunca. . Al hacerlo, podría arrojar luz sobre la naturaleza de su relación con otras fuerzas fundamentales, un misterio que ha desconcertado a los físicos durante décadas.
Los relojes atómicos miden el tiempo utilizando las vibraciones de los átomos como un metrónomo muy preciso. Los relojes atómicos actuales están apagados por segundos durante decenas de miles de millones de años. Esta nueva iteración se mantiene lo suficientemente precisa como para que solo se apague en 1 segundo durante aproximadamente 90 mil millones de años.
Para obtener ese tipo de precisión, el equipo enfrió los átomos de estroncio para evitar que se movieran y chocaran entre sí, algo que puede sacudir sus vibraciones. Primero, golpean los átomos con láser. Cuando los fotones los golpean, los átomos absorben su energía y reemiten un fotón, perdiendo energía cinética y enfriándose. Pero eso no los enfrió lo suficiente. Entonces, para hacerlos aún más fríos, el equipo confió en el enfriamiento por evaporación, lo que permitió que algunos de los átomos de estroncio se evaporaran y aceptaran aún más energía. Se quedaron con entre 10,000 y 100,000 átomos, a una temperatura de solo 10 a 60 billonésimas de grado por encima del cero absoluto, o menos 459 grados Fahrenheit (menos 273 grados Celsius).
Los átomos fríos fueron atrapados por una disposición 3D de láseres. Las vigas se instalaron para interferir entre sí. Al hacerlo, crearon regiones de baja y alta energía potencial, llamadas pozos potenciales. Los pozos actúan como cartones de huevos apilados, y cada uno contiene un átomo de estroncio.
Los átomos se enfriaron tanto que dejaron de interactuar entre sí, a diferencia de un gas normal, en el que los átomos corren aleatoriamente y rebotan en sus semejantes, tales átomos enfriados permanecen bastante quietos. Luego comienzan a comportarse de una manera que es menos como un gas y más como un sólido, a pesar de que la distancia entre ellos es mucho mayor que la que se encuentra en el estroncio sólido.
"Desde ese punto de vista, es un material muy interesante; ahora tiene propiedades como si fuera un estado sólido", dijo a Live Science el líder del proyecto, Jun Ye, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. (JILA es operado conjuntamente por el NIST y la Universidad de Colorado en Boulder).
En este punto, el reloj estaba listo para comenzar a medir el tiempo: los investigadores golpearon los átomos con un láser, excitando uno de los electrones que orbitan el núcleo del estroncio. Debido a que los electrones se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, uno no puede decir en qué nivel de energía se encuentra el electrón una vez que está excitado, y solo puede decir que tiene una probabilidad de estar en uno u otro. Para medir el electrón, después de 10 segundos, dispararon otro láser al átomo. Ese láser mide dónde se encuentra el electrón alrededor del núcleo, a medida que un átomo vuelve a emitir un fotón del láser, y cuántas veces oscila en ese período (los 10 segundos).
Promediar esta medición en miles de átomos es lo que le da a este reloj atómico su precisión, así como promediar los latidos de miles de péndulos idénticos le dará a uno una idea más precisa de cuál debería ser el período de ese péndulo.
Hasta ahora, los relojes atómicos tenían solo "cadenas" de átomos en lugar de una red 3D, por lo que no podían tomar tantas medidas como esta, dijo Ye.
"Es como comparar relojes", dijo Ye. "Usando esa analogía, el pulso láser en los átomos inicia una oscilación coherente. Diez segundos después volvemos a encender el pulso y le preguntamos al electrón, '¿Dónde estás?'". Esa medición se promedia sobre miles de átomos.
Es difícil mantener los electrones en ese estado intermedio, dijo Ye, y esa es otra razón por la que los átomos deben estar tan fríos, para que los electrones no toquen accidentalmente nada más.
El reloj esencialmente puede medir segundos hasta 1 parte en billones. Esta habilidad hace más que un buen cronometrador; podría ayudar en la búsqueda de fenómenos como la materia oscura, dijo Ye. Por ejemplo, uno podría establecer un experimento en el espacio usando un temporizador tan preciso para ver si los átomos se comportan de manera diferente a lo que predicen las teorías convencionales.
El estudio se detalla en la edición del 6 de octubre de la revista Science.
