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Físicos polacos han afrontado el reto de construir un reloj atómico óptico, un dispositivo de gran precisión con una exactitud de un segundo en unas docenas de billones “A billion = 1.000 millones” de años, desde 2008. El último de los tres componentes clave del reloj: Un patrón de frecuencia atómico basado en átomos de estroncio frío acaba de ser puesto en marcha en el Departamento de Fotónica del Instituto de Física de la Jagiellonian University. El propio reloj se montará ya este año.
La construcción de un reloj atómico óptico polaco aporta un dispositivo de precisión raramente igualado en el mundo que pronto entrará en su fase final. Un grupo liderado por el profesor Wojciech Gawlik del Departamento de Fotónica del Instituto de Física de la Jagiellonian University acaba de construir el último de los componentes clave necesarios para la construcción del reloj: Un estándar atómico basado en átomos de estroncio frío. Después de la celebración de una serie de pruebas, el dispositivo será transportado al Laboratorio Nacional de Física Atómica, Molecular y Óptica Física (KL FAMO) en Torun, donde los físicos lo combinarán con los dos componentes restantes: Un peine óptico desarrollado por un grupo dirigido por el Prof. Czeslaw Radzewicz de la Universidad de Varsovia (UW) y un láser ultra-preciso construido bajo la supervisión de los romanos Ciuryłło, PhD, de la Universidad Nicolás Copérnico (UMK).
Las mediciones precisas del tiempo son de importancia clave para el funcionamiento eficaz de nuestra civilización. Sin ellos, las telecomunicaciones modernas y los sistemas de navegación, en particular los sistemas de satélites, dejaría de funcionar. relojes ultra-precisos también son indispensables para la investigación sobre las propiedades fundamentales de la realidad, entre otros, para investigar si los valores de las constantes físicas son realmente constantes e investigar hasta qué punto la teoría de la relatividad general proporciona una descripción exacta del Universo.
El proyecto de construcción del reloj atómico es financiado exclusivamente por el Ministerio de Ciencia y Educación Superior, se inició hace dos años y se lleva a cabo por grupos de físicos de toda Polonia, actualmente colabora en el marco de KL FAMO que es una parte del Laboratorio Nacional de Quantum Technologies. La precisión teórica de las mediciones del tiempo del reloj en construcción será de dos órdenes de magnitud mayor que la de los relojes de cesio más precisos, que se utilizan actualmente, entre otros, para definir el segundo estándar. “El reloj de Polonia tendrá una precisión de un segundo en unas docenas de billones de años, que es un período de tiempo varias veces más largo que el transcurrido desde el Big Bang. Tales dispositivos de cronometraje preciso hoy en día se pueden encontrar sólo en un puñado de centros de investigación en el mundo “, dice el profesor Wojciech Gawlik, jefe del equipo de físicos de Cracovia.
Todos los relojes hacen uso de una determinada frecuencia estándar, un fenómeno físico periódico. En el caso de un reloj de pulsera, el estándar es un resonador de cuarzo con un cristal de cuarzo oscilante. Los relojes atómicos hacen uso de una transición electrónica entre los niveles de energía en los átomos de cesio. Los físicos de Cracovia, en cambio, han construido un estándar basado en átomos de estroncio, en los que las transiciones electrónicas entre niveles de energía atómica requieren de absorción y emisión de radiación electromagnética con una frecuencia muy superior a la del cesio. La frecuencia se encuentra en el rango óptico (de ahí el adjetivo “óptica” en el nombre del reloj). Confinado en una trampa láser, los átomos de estroncio están aislados de los alrededores y se enfrían con un láser a una temperatura extremadamente baja del orden de microkelvins. En estas condiciones, la probabilidad de colisiones atómicas es baja, lo que reduce en gran medida la posibilidad de interferencias. El nuevo estándar se encuentra actualmente en las primeras pruebas.
El patrón de frecuencia sobre la base de átomos de estroncio es uno de los componentes del reloj atómico óptico. Será utilizado para estabilizar la frecuencia del láser ultra-preciso construido en Torun. Es precisamente las vibraciones del campo eléctrico de un rayo de luz emitido por el láser las que se contarán como unidades elementales de tiempo, repitiéndose con gran precisión. Sin embargo, el láser funciona con una frecuencia tan alta que el contaje de las oscilaciones individuales está más allá de las capacidades de los sistemas electrónicos. Lo que se necesita es un dispositivo que actúa como una rueda dentada. El dispositivo en cuestión es un peine de frecuencias – un conjunto de ondas de luz de numerosas frecuencias estrecha, equidistante. El peine, generado por un láser que emite pulsos de luz ultra-corta, permite una transferencia sincrónica y libre de errores de la energía atómica de las oscilaciones estándar en la gama de frecuencia de radio de onda – las ondas de radio pueden ser contadas electrónicamente. El peine de frecuencias ya ha sido utilizado por los científicos del Laboratorio de Fenómenos ultrarrápidos del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Varsovia y de manera preliminar en combinación con un láser de referencia con una frecuencia estabilizada de la luz. Los trabajos en curso tratan de combinarlo con el láser ultra-preciso construido en el Laboratorio Nacional de FAMO en Torun.
“Nuestro estándar atómico sobre la base de átomos de estroncio es la tercera pieza final del rompecabezas. En el periodo de varios meses, después de las pruebas y después de su transporte a Torun podremos ensamblar todo el reloj”, señala el Prof. Gawlik.
El Laboratorio Nacional de Quantum Technologies (nltk.fuw.edu.pl) es un consorcio de las principales instituciones científicas de Polonia encargado de la realización de investigaciones en el campo de las tecnologías cuánticas, incluyendo la computación cuántica, la ingeniería cuántica y los campos relacionados. El NLTK se compone de: la Universidad de Varsovia, la Universidad de Tecnología de Wroclaw, el Instituto de Física de la Academia Polaca de Ciencias, la Universidad Nicolás Copérnico en Torun, la Universidad Jagiellonian, la Universidad de Gdansk, la Universidad de Lodz, y el Centro de Física Teórica de la Academia Polaca de Ciencias. Un proyecto del mismo nombre se lleva a cabo en cinco de las ocho instituciones del consorcio NLTK. El objetivo del proyecto es crear y equipar a los miembros de instituciones científicas con el equipo necesario para la realización de investigación científica conjunta, así como para otras tareas relacionadas con la investigación y el desarrollo. El Laboratorio Nacional de Quantum Technologies está cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional en el marco del Programa Operativo de Economía Innovadora 2007-2013, Prioridad 2, Infraestructura de la esfera de I + D, Apoyo a la acción 2.2 “para la creación de infraestructuras de investigación conjunta de las instituciones científicas . ”
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