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¿Qué es y cómo funciona un reloj atómico?

Todos sabemos que los relojes se utilizan para medir el tiempo, pero dentro de los distintos tipos de relojes que nos podemos encontrar, están los atómicos. ¿Qué es y  cómo funciona un reloj atómico? De esto hablaremos a continuación, para saber en qué consisten este tipo de relojes que para funcionar utilizan el espectro atómico o molecular en la zona de las ondas ultracortas.

Como funciona un reloj atomico

¿Qué es un reloj atómico?

Los relojes atómicos están diseñados para medir la longitud exacta de un segundo , la unidad base del cronometraje moderno. El Sistema Internacional de Unidades (SI) define el segundo como el tiempo que tarda en oscilar de manera exacta un átomo de cesio-133 en un estado definido:  9 mil millones, 192 millones, 631 mil, 770 veces.

La definición oficial de lo que es un segundo proporciona más detalle al afirmar que  “El segundo es la duración de 9,192,631,770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. Esta definición se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de 0 grados Kelvin “.

¿Cómo funciona un reloj atómico?

Por ello, el principio de funcionamiento del reloj atómico no se basa en la física nuclear sino en la física atómica . Este tipo de reloj utiliza la señal de microondas que emiten los electrones en los átomos cuando cambian los niveles de energía .

Los primeros relojes atómicos se basaban en los máseres a temperatura ambiente . Los relojes atómicos más precisos primero enfrían los átomos hasta casi la temperatura del cero absoluto al ralentizarlos con láser y sondearlos en las fuentes atómicas en una cavidad llena de microondas.

La precisión de un reloj atómico depende de dos factores. El primer factor es la temperatura de los átomos de la muestra. Los átomos más fríos se mueven mucho más lentamente, permitiendo tiempos de sonda más largos. El segundo factor es la frecuencia y el ancho intrínseco de la transición electrónica. las frecuencias y las líneas estrechas aumentan la precisión.

El reloj atómico es un reloj que usa las frecuencias de resonancia de los átomos como su resonador. El resonador está regulado por la frecuencia de la radiación electromagnética de microondas emitida o absorbida por la transición cuántica (el cambio de energía) de un átomo o molécula .

Que es reloj atomico

De este modo, podemos decir que en un reloj atómico, las oscilaciones naturales de los átomos actúan como el péndulo en un reloj de pie. Sin embargo, los relojes atómicos son mucho más precisos que los relojes convencionales porque las oscilaciones atómicas tienen una frecuencia mucho más alta y son mucho más estables.

Existen muchos tipos diferentes de relojes atómicos, pero generalmente comparten el mismo principio de funcionamiento básico, que se describe a continuación:

Calor, paquete y clasificación

Primero, los átomos se calientan en un horno y se envuelven en una viga. Cada átomo tiene uno de los dos estados de energía posibles. Se los conoce como niveles hiperfinos , pero llamémoslos estado A y estado B.

Luego, un campo magnético elimina todos los átomos del estado B del haz, por lo que solo quedan átomos en el estado A.

Irradiación y eliminación

Los átomos del estado A se envían a través de un resonador donde son sometidos a radiación de microondas, lo que hace que algunos de los átomos cambien al estado B. Detrás del resonador, los átomos que todavía están en el estado A son eliminados por un segundo campo magnético. Un detector luego cuenta todos los átomos que han cambiado al estado B.

Sintonización y medida

El porcentaje de átomos que cambian su estado al pasar a través del resonador depende de la frecuencia de la radiación de microondas. Cuanto más sincronizado con la frecuencia de oscilación inherente de los átomos, más átomos cambian su estado.

El objetivo es sintonizar perfectamente la frecuencia de microondas con la oscilación de los átomos y luego medirla. Después de exactamente 9,192,631,770 oscilaciones, ha pasado un segundo.

¿Son precisos los relojes atómicos?

La precisión de los relojes atómicos varía y mejora constantemente. Con un error esperado de solo 1 segundo en aproximadamente 100 millones de años, el NIST-F1 en el estado americano de Colorado, es uno de los relojes más precisos del mundo.

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Se llama reloj de fuente de cesio donde los láseres concentran los átomos en una nube, los enfrían y luego los arrojan hacia arriba. Este método ralentiza los átomos, lo que permite un período de medición más largo y una aproximación más precisa de la frecuencia natural de los átomos.

Relojes ópticos

Los científicos están desarrollando actualmente un dispositivo que es incluso más preciso que los relojes atómicos actuales. El reloj atómico óptico usa luz en el espectro visible para medir oscilaciones atómicas. La frecuencia de resonancia de los rayos de luz es aproximadamente 50,000 veces mayor que la de la radiación de microondas, lo que permite una medición más precisa. La desviación esperada del nuevo reloj óptico es de 1 segundo en 15 mil millones de años.

Reloj atomico

Usos de los relojes atómicos

Puede que tras lo explicado nos asalten dudas si realmente son necesarios en nuestra vida común, el uso de los relojes atómicos, pero lo cierto es que así es.

De hecho y aunque no lo parezca, unos 400 relojes atómicos de todo el mundo contribuyen al cálculo del Tiempo Atómico Internacional(TAI), uno de los estándares de tiempo utilizados para determinar el Tiempo Universal Coordinado(UTC) y las horas locales en todo el mundo .

Los sistemas de navegación por satélite como GPS, GLONASS y Galileo también se basan en mediciones de tiempo precisas para calcular las posiciones con precisión.

Los relojes atómicos están además instalados en sitios de transmisores de radio de señal horaria. Se usan en algunas estaciones de transmisión de onda larga y media para entregar una frecuencia portadora muy precisa. Los relojes atómicos se utilizan en muchas disciplinas científicas, como la interferometría de referencia larga en radioastronomía. .

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De este modo, el alto nivel de precisión logrado mediante el uso de relojes atómicos es una bendición pero también puede ser algo malo Por un lado, el mantenimiento preciso del tiempo es una necesidad, por ejemplo, para la tecnología sensible al tiempo, como los modernos sistemas de control del tráfico aéreo que dependen de la navegación por satélite.

Por otro lado, el método para medir el tiempo de este tipo de relojes, no tiene en cuenta la rotación de desaceleración de la Tierra, que determina la duración de un día. Por esta razón, los relojes atómicos se comparan constantemente con los convencionales. Antes de que la diferencia entre las dos escalas alcance 0.9 segundos, se agrega un segundo intercalar al tiempo que se mide por un reloj convencional.

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