Científicos suecos descubren una forma nueva de medir el tiempo a través de los átomos
Científicos suecos han creado un reloj cuántico con
un principio de funcionamiento diferente al de los relojes tradicionales,
incluidos los relojes atómicos. Los relojes cuánticos permitieron detectar un
defecto en el funcionamiento de una línea de retardo óptico comercial. Los
detalles del estudio fueron publicados en Physical Review Research.
El principio de funcionamiento de la mayoría de los
relojes se basa en que exista en su interior alguna oscilación periódica,
mecánica o eléctrica. La estabilidad de tales fluctuaciones determina la
cantidad de tiempo durante el cual el reloj se atrasa o adelanta en un segundo.
Este principio no cambió durante la transición a
relojes atómicos y luego a ópticos más precisos. Su trabajo se basa en
vibraciones correspondientes a transiciones entre niveles atómicos. Las
frecuencias de las transiciones atómicas muestran una estabilidad mucho mayor.
Ahora bien, hay relojes que se atrasan un segundo en
unos cientos de miles de millones de años. Debido a que los relojes atómicos
operan con una oscilación estable, el tiempo se mide en relación con algún
punto de partida.
Ahora, Marta Berholts y sus colegas de la
Universidad de Uppsala propusieron un principio completamente diferente para
medir el tiempo usando átomos. Su dispositivo se basa en la oscilación
coherente de un paquete de ondas de electrones en un átomo de Rydberg.
Sin embargo, a diferencia de los relojes
convencionales, esta oscilación es lo menos periódica posible, haciendo a cada
uno de sus tramos de tiempo, únicos. Esto permite determinar con precisión el
tiempo transcurrido desde el momento de inicio de la oscilación hasta el
momento de la medida sin necesidad de fijar el primero.
Un átomo de Rydberg es un átomo cuyo electrón de
valencia ocupa un nivel de energía suficientemente alto. Debido a esto, el
radio promedio de su órbita resulta ser muy grande, lo cual determina muchas de
las propiedades inusuales de los átomos de Rydberg usados para simulaciones
cuánticas y otras aplicaciones.
Ahora, los físicos utilizaron otra propiedad de los
electrones altamente excitados: una dependencia temporal pronunciada de la
parte radial de su función de onda.
El comportamiento de la función de onda electrónica
obedece a las mismas leyes que son responsables del comportamiento de otros
tipos de ondas. Una onda de la misma frecuencia, en ausencia de
amortiguamiento, siempre mantiene la misma amplitud en cada ciclo de
oscilación.
La adición de dos ondas con diferentes frecuencias
complica la imagen. La amplitud de la oscilación total en sí comienza a oscilar
con una frecuencia igual a la mitad de la diferencia de frecuencias. Es como si
se produjeran latidos. Agregar más tonos hace que la interferencia sea más
difícil.
La oscilación total en este caso a gran escala sigue
siendo periódica, pero con un aumento en el número de componentes del paquete
de ondas, el período aumenta. Finalmente, cuando este período comience a
exceder el tiempo de vida del sistema oscilatorio, la dependencia de la
amplitud con el tiempo será casi única en cada momento de la oscilación. Es
este principio el que los físicos emplearon en el nuevo reloj cuántico.
El experimento consistió en la excitación de átomos
de helio mediante un pulso ultravioleta corto con un amplio espectro (0,1
electronvoltios). Luego siguió un pulso infrarrojo. Establecieron la hora de
llegada del segundo pulso utilizando una línea de retardo motorizada. El sondeo
condujo al escape de electrones, cuyo espectro fue medido.
Bajo esas condiciones, la contribución a la amplitud
de la probabilidad de ionización fue realizada por muchos estados de Rydberg
con números cuánticos superiores a 10. Su interferencia condujo a que la
dependencia del tiempo del espectro electrónico permaneciera única a lo largo
de toda la vida útil de estados excitados. Siendo el más corto igual a 60
nanosegundos.
Los físicos observaron hasta 81 picosegundos y
compararon los resultados con simulaciones. El modelo incluía tener en cuenta
un pequeño desplazamiento de las energías reales del átomo de Rydberg, de las
descritas por la fórmula simple de Rydberg. El resultado mostró una muy buena
concordancia.
Para acreditar que los relojes funcionaban, los
físicos debieron hacer que un intervalo de tiempo arbitrario de datos
experimentales no se repitiera durante toda la vida útil del sistema. Probaron
esto en 24 segmentos y demostraron que se logra un 100 % de unicidad cuando su
longitud supera los 1,7 picosegundos.
La precisión del nuevo reloj se determinó únicamente
por la diferencia entre los espectros observados de manera experimental y el
modelo teórico. El error total en el ajuste de los parámetros correspondió a un
error de reloj de ocho femtosegundos.
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