Reloj atómico: cada segundo cuenta

El estudio del tiempo es una necesidad en la comunidad científica, dada la importancia que tiene en muchos ámbitos de la vida de las personas en el mundo, como las telecomunicaciones, criptografía, sistemas de cómputo, astronomía, sistemas de control e incluso la publicidad. De acuerdo con la revista Forbes, el costo de anuncio publicitario transmitido en el pasado Súper Bowl LI, en Estados Unidos, fue de 150 mil dólares el segundo, aproximadamente.

El Centro Nacional de Metrología (Cenam) cuenta con una dirección especializada en el desarrollo de investigación enfocada en la generación de escalas de tiempo, tecnologías relacionadas con la sincronía, calibración de osciladores y relojes atómicos, así como la generación y diseminación de la hora oficial de los Estados Unidos Mexicanos.

Esta instancia, llamada Dirección de Tiempo y Frecuencia (DT&F), ha desarrollado proyectos de investigación e innovación tecnológica en el estudio del tiempo, desde su unidad más básica, que es el segundo, de acuerdo con su director, Eduardo de Carlos López.

“En la Dirección de Tiempo y Frecuencia, tenemos la responsabilidad de generar y mantener la unidad base de medición de tiempo, es decir, el segundo, que está definido con base en una transición de un átomo de cesio 133 (Cs)”, explicó.

De Carlos López detalló que, hasta el siglo pasado, el reloj original de la humanidad es el giro del planeta Tierra, y por muchos años fue la referencia en aspectos como el paso del día y la noche o las estaciones del año.

“En ese periodo surgieron dos revoluciones respecto a este conocimiento: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Con base en esta última, se revolucionó la tecnología, incluidos los relojes; resulta que propiedades de los átomos, que son los niveles de energía, se pueden utilizar como referencias de frecuencia muy estables. Alrededor de 1950, se empezaron a hacer los primeros experimentos utilizando átomos, en particular el de cesio, para comparar el tictac de los segundos generados por los relojes atómicos con los generados por el reloj terrestre”, recordó.

Ante este nuevo conocimiento se encontró que los segundos de los relojes atómicos son mucho más estables, a raíz de eso, en 1967, se decidió cambiar la definición de la unidad de tiempo, de una astronómica a una cuántica.

“Los relojes tienen una parte principal que es el oscilador, aquel fenómeno físico que es repetitivo en el tiempo; la Tierra puede ser un oscilador, un péndulo, un cristal de cuarzo (SiO₂) en un campo eléctrico y la propia luz. Si tomamos los átomos como un discriminador de frecuencias, se tiene un oscilador muy estable, es lo que utilizamos para hacer relojes atómicos”, aseveró.

¿Un año con más segundos?

En diciembre de 2016, la Dirección de Tiempo y Frecuencia del Cenam anunció que, debido a las discrepancias existentes entre la estabilidad y exactitud de los relojes atómicos existentes y los segundos del planeta Tierra, fue necesario añadir un segundo extra al Tiempo Universal Coordinado (UTC), que se determina por el resultado de un algoritmo matemático que combina las mediciones de cientos de relojes atómicos de diferentes laboratorios de metrología en el mundo, entre ellos, el del Cenam.

“A partir de 1958 se ajustó el tiempo atómico para que fuera siguiendo al de la Tierra, esto se hizo de manera gradual hasta 1972 cuando se decidió implementar el segundo intercalar, que ahora se hace de manera discreta, lo que genera que se añada o se reste un segundo dependiendo del comportamiento de la Tierra”, enunció.

En promedio, de acuerdo con la comparación entre el tiempo atómico y el tiempo astronómico, la Tierra se va frenando, y de 1958 hasta la fecha se han acumulado 37 segundos de diferencia —también llamados bisiestos— que en la mayoría de los casos son añadidos. “Lo que se propuso para que la hora civil y de la navegación pudiera seguir el tiempo astronómico fue ajustar el tiempo atómico”, explicó.

El encargado de anunciar esta inserción de segundos bisiestos a la comunidad es el Servicio Internacional de Rotación de la Tierra y Sistemas de Referencia (IERS, por sus siglas en inglés). Con seis meses de anticipación, ellos dan a conocer si se va a adicionar un segundo, porque es el tiempo en el que más o menos se puede predecir el comportamiento de la Tierra, esto debido a la distribución de masas y otros fenómenos que hacen que cambie su giro, como pueden ser terremotos o erupciones volcánicas.

¿Cómo funciona un reloj atómico?

El director de Tiempo y Frecuencia del Cenam explicó que los relojes atómicos trabajan con átomos de cesio que son iluminados con una luz de cierta frecuencia, alrededor de 9.2 gigahertz, para promover una transición, donde se observa el átomo y se le asocia un valor de frecuencia a los fotones para después anclar electrónicamente un sintetizador que genera esas frecuencias y con ello obtener una referencia estable.

“Los átomos, vistos individualmente, se comportan de una manera distinta al mundo macroscópico, obedecen leyes muy específicas dadas por la mecánica cuántica. Una de sus características es que sus estados energéticos son discretos. En el mundo cuántico el átomo está en estados de energía que no son continuos. Para que el átomo ocupe un estado de energía requiere absorberla del medio, en este caso puede ser la luz o fotones”, sostuvo.

De Carlos López mencionó que para generar la hora oficial de los Estados Unidos Mexicanos, este laboratorio cuenta con diversos relojes atómicos individuales de cesio y de otro tipo de elementos, como el hidrógeno (H) y el rubidio (Rb), donde son medidos entre sí para sacar un promedio matemático ponderado y con ello obtener un reloj virtual, una señal física y redundancia.

“Este mismo sistema se emplea para determinar el UTC por parte de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM, por sus siglas en francés). Nosotros les enviamos, junto con los laboratorios de todo el mundo, las mediciones de nuestros relojes y para que ellos hagan sus propios promedios. Los laboratorios, como el del Cenam, nos encargamos de que exista esa señal física y tratamos que nuestros relojes se parezcan lo más posible al UTC”, destacó.

Indicó que una cualidad de la metrología de tiempo y frecuencia es que, a diferencia de otras magnitudes donde se debe llevar consigo instrumentación para hacer comparativos o estudios, este laboratorio cuenta con sistemas de navegación satelital, que miden posiciones de la Tierra y que tienen relojes atómicos en su interior.

“Lo que hacemos con ellos es comparar su tictac e intercambiar información con varios relojes de otras partes del mundo. La hora oficial de Estados Unidos no difiere más allá de 10 o 15 nanosegundos respecto a nosotros”, comparó.

Para la población en general, el Cenam disemina la hora oficial del país a través de la red que utiliza el Protocolo de Tiempo de Redes (NTP, por sus siglas en inglés). Se trata de un servicio gratuito donde la gente puede bajar un programa diseñado en el Cenam, que puede instalar en su computadora y mantenerla sincronizada.

“Este servicio tiene una demanda de 50 millones de peticiones diarias. Tenemos servicios al sector de las telecomunicaciones que son los que demandan mayor calidad en la medición del tiempo, por la cuestión de la sincronía, criptografía e incluso hasta medios de comunicación nacionales e internacionales. Vivimos tiempos en los que las telecomunicaciones son casi instantáneas en diferentes partes del mundo, de ahí la importancia de manejar tiempos exactos”, detalló.

Otras líneas de investigación sobre el tiempo y frecuencia

Además del estudio del tiempo y la determinación de tiempos oficiales, la Dirección de Tiempo y Frecuencia lleva a cabo proyectos de investigación, como el del estudiante de doctorado en ciencias del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) Carlos Andrés Ortiz Cardona, que estudia el mejoramiento de la frecuencia y manipulación de los átomos en el reloj atómico del Cenam.

“El objetivo fue desarrollar un láser ultraestable para la fuente atómica. El Cenam lleva más o menos 15 años trabajando en una fuente de átomos fríos que ya habían desarrollado con otro tipo de láseres, pero después de una estancia de doctorado en Estados Unidos del doctor Eduardo de Carlos, vio un área de oportunidad “, aseguró.

Ortiz Cardona subrayó que, con base en esto, se le propuso desarrollar un láser ultraestable para operar la fuente de átomos fríos del Cenam.

“El objetivo es operar la fuente atómica con un láser de unas características muy finas desde el punto de vista del ancho de línea, su estabilidad en frecuencia y en potencia. La emisión de este láser ultraestable está en los 352 terahertz y el ancho de línea que se maneja es de aproximadamente unos cuantos hertz. Estamos hablando de factores de calidad aproximadamente 10 a la 14 lo cual es extremadamente bueno”, indicó.

Lo que se persigue, según el estudiante de doctorado, es establecer un control más fino en la frecuencia y una mayor capacidad de manipulación.

“El propósito de la tesis doctoral ya se cumplió, que era básicamente implementar un láser ultraestable, luego operar la fuente atómica con este láser y hacer una caracterización. Esa parte ya la hicimos. En lo que estamos concluyendo el proyecto es en la parte de la evaluación de los efectos sistemáticos”, finalizó.

Fuente: CONACYT.