Error de 39.600 millones de años en menos de un segundo: el reloj atómico más preciso del mundo establece un nuevo récord
2024-08-19
한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina
¿Cuánto dura 1 segundo? ¿Cómo debería definirse la precisión científica de un segundo? El 22 de septiembre de 2023, Mozi Salon tuvo el honor de invitar a Jun Ye, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Colorado y ganador del "Premio Mozi Quantum", a pronunciar un discurso tituladoEl discurso presentó los antecedentes de la investigación de los relojes atómicos de una manera fácil de entender y la exploración del equipo de investigación para mejorar continuamente la precisión de la medición del tiempo.Ahora bien, ¿se puede mejorar el límite superior de precisión de los relojes atómicos? El último logro del equipo de Ye Jun rompió una vez más el récord de precisión del reloj atómico, logró un salto en la precisión de la medición del tiempo y estableció un nuevo punto de referencia para la próxima generación de relojes atómicos. El 24 de enero desarrollamos con éxito el sistema de reloj óptico con los mejores indicadores nacionales () de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China fue invitado por Física para presentar este resultado.
La aparición de los relojes atómicos en la década de 1950 marcó un gran avance en nuestra capacidad de medir el tiempo con altísima precisión.Después de 70 años de desarrollo, actualmente es el dispositivo de cronometraje más preciso. Si hubiera comenzado a medir al comienzo del Big Bang, su error no habría excedido el segundo.Estos precisos relojes atómicos tienen amplias aplicaciones en física básica, metrología, navegación y otros campos. Otras mejoras podrían dar lugar a una serie de nuevas aplicaciones y nuevas pruebas de física fundamental.Sin embargo, lograr nuevas mejoras enfrenta muchos desafíos, el principal de ellos el ruido ambiental, como las fluctuaciones del campo magnético y los cambios de temperatura, y las complejas interacciones de los átomos, que gobiernan el funcionamiento del reloj pero que son difíciles de controlar. Para abordar estos desafíos, investigadores del Laboratorio Conjunto de Astrofísica Estadounidense (JILÁ) y un equipo de investigadores de la Universidad de Colorado Boulder han batido el récord de precisión del reloj atómico.▲ Figura 1:Los átomos de estroncio están en1S0y3PAGAGAGAG0Las transiciones entre estados sirven como referencia para los relojes de celosía óptica. Cuando una señal óptica resuena con una transición, su frecuencia se puede definir con mucha precisión.
El equipo de investigación utilizó un reloj de red óptica (OLC) basado en átomos de estroncio neutros para medir la frecuencia de las transiciones atómicas de estroncio, y la incertidumbre de su sistema alcanzó 8,1×10-19, más del doble del récord anterior (el trabajo preliminar del equipo). Este logro marca un salto en la precisión de la medición del tiempo y establece un nuevo punto de referencia para la próxima generación de relojes atómicos.Los primeros relojes atómicos utilizaban la frecuencia de las señales de microondas como "péndulo" para mantener el tiempo. Hoy en día, las mejores técnicas de medición del tiempo se basan en la luz emitida por determinadas transiciones atómicas, llamadas transiciones de reloj. La alta frecuencia (normalmente unos pocos cientos de terahercios) y los estrechos anchos de línea (normalmente de 1 a 100 milihercios) de estas transiciones significan que los relojes atómicos ópticos pueden medir el tiempo con mayor precisión que los relojes atómicos basados en microondas, que funcionan a frecuencias más bajas. Gracias a los incansables esfuerzos de los investigadores durante las últimas décadas, los relojes ópticos ahora funcionan más de dos órdenes de magnitud mejor que los relojes de microondas. Mejorar aún más su rendimiento significa reducir el tamaño de los errores sistemáticos.Para lograr este objetivo, los equipos de JILA y la Universidad de Colorado Boulder reevaluaron los coeficientes de ciertos parámetros atómicos que son críticos para el funcionamiento de los relojes atómicos ópticos. En particular, los investigadores investigaron la transición del reloj con la sensibilidad magnética más baja entre los átomos de estroncio (3PAGAGAGAG0y1S0transiciones entre estados) se calibraron con precisión (ver Figura 1) y se determinaron los coeficientes de Zeeman de segundo orden.El coeficiente de Zeeman describe el efecto de un campo magnético sobre el nivel de energía de un electrón y, por tanto, el cambio de frecuencia de la luz emitida durante la transición asociada. Normalmente, las transiciones de reloj magnéticamente insensibles se eligen para minimizar el cambio de frecuencia Zeeman dominante de primer orden, que reduce la sensibilidad del reloj a las fluctuaciones en el campo magnético ambiental. Pero todavía existen efectos de segundo orden más débiles. La calibración de este coeficiente por parte del equipo redujo la incertidumbre causada por el cambio de frecuencia de Zeeman de segundo orden a 1×10-19, el doble que la calibración anterior.▲ Figura 2:En septiembre de 2023, en la Conferencia Internacional sobre Tecnologías Cuánticas Emergentes de 2023 en Hefei, Jun Ye, como ganador del "Premio Mozi Quantum", presentó un maravilloso informe de premiación in situ.
Los investigadores también abordaron un segundo factor que afecta la incertidumbre del reloj: la corrección dinámica de la radiación del cuerpo negro. La radiación del cuerpo negro puede afectar los niveles de energía de los átomos a través de sus campos eléctricos, una consecuencia inevitable del funcionamiento de los relojes en un ambiente a temperatura ambiente. El componente dinámico de este efecto se refiere al cambio de frecuencia diferencial entre niveles de energía atómica. En generaciones anteriores de relojes de celosía óptica de estroncio, la precisión estaba particularmente limitada por3PAGAGAGAG0Incertidumbre en el desplazamiento del nivel de energía (el mayor de los dos estados que definen la transición del reloj). El tamaño de este cambio de frecuencia está relacionado con una transición dentro del espectro de energía de radiación del cuerpo negro, es decir3PAGAGAGAG0y mayores niveles de energía3D1La transición entre el3D1determinada por la duración del estado. Al realizar estas mediciones, el equipo mejoró la incertidumbre en el desplazamiento de la radiación del cuerpo negro con respecto al anterior 1,5 × 10-18Reducido a 7,3×10-19. Combinando la reducción de la incertidumbre del cambio de frecuencia de la radiación del cuerpo negro con otros controles ambientales como la estabilización de la temperatura, los investigadores determinaron que todos los efectos del sistema contribuyeron a la incertidumbre total de los niveles de energía de transición del reloj a menos de 1 × 10-18。Para controlar y medir los átomos en el reloj de la red óptica, los investigadores también utilizaron una red óptica con una "longitud de onda mágica". En una trampa de red óptica, los niveles de energía de los átomos pueden variar debido a la influencia del campo eléctrico del rayo láser. Sin embargo, en un pozo de potencial manipulado en longitudes de onda mágicas, el pozo de potencial es el mismo independientemente del estado electrónico de los átomos. Esto significa que se minimizan los cambios de frecuencia relativos del nivel de energía inducidos por el rayo láser entre los estados de transición del reloj, lo que ayuda a que el ancho de línea de la transición sea lo más estrecho posible. Los investigadores también incorporaron un procedimiento de enfriamiento que les permitió utilizar una red poco profunda para confinar los átomos. Cuando los átomos están más confinados, el cambio de frecuencia en los niveles de energía causado por el rayo láser es mayor, por lo que el potencial superficial minimiza este cambio de frecuencia.Estos métodos permiten que su dispositivo supere la precisión de todos los relojes de celosía luminosa anteriores, midiendo el tiempo con un error de menos de un segundo en 39,6 mil millones de años. Las implicaciones de esta mejora son de gran alcance. Por ejemplo, combinada con los avances del equipo de Colorado, una nueva generación de instrumentos podría establecer un nuevo punto de referencia para la definición de un segundo. Los esfuerzos futuros pueden centrarse en mejorar estas técnicas para reducir aún más las incertidumbres mediante, por ejemplo, operaciones criogénicas. Esta tecnología de medición de ultra alta precisión se puede utilizar para estudiar cuestiones fundamentales de vanguardia en física, como la posibilidad de revelar la naturaleza cuántica de la gravedad y la naturaleza de la materia oscura a través de observaciones de ondas gravitacionales.
Mozi es un pensador y científico famoso en el antiguo país. Sus pensamientos y logros son la encarnación de la ciencia en ciernes de los inicios de mi país. El establecimiento del Salón Mozi tiene como objetivo heredar y llevar adelante la tradición científica, defender y llevar adelante el espíritu científico, mejorar la alfabetización científica de los ciudadanos y construir una atmósfera social que defienda la ciencia.
Mozi Salon está dirigido al público en general que ama la ciencia, tiene un espíritu de exploración y curiosidad. A través de actividades públicas cara a cara y nuevas plataformas de medios diversificadas, esperamos que todos comprendan el progreso científico más vanguardista del mundo, el. las ideas científicas más avanzadas, explorar el secreto de la ciencia y sentir la belleza de la ciencia.
El Salón Mozi está organizado por el Instituto de Investigación de Shanghai de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y el Centro de Intercambio de Ciencia y Tecnología Cuántica Nanqi en la Nueva Área de Pudong. Cuenta con el apoyo de la Fundación de Nuevos Alumnos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. la Fundación de Educación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, la Asociación de Ciencia y Tecnología de la Nueva Área de Pudong, la Asociación de Ciencia y Tecnología de China y el apoyo del Comité Económico y de Ciencia y Tecnología de la Nueva Área de Pudong.
