La medición de relojes atómicos más precisa puede llevar a redefinir el segundo

Los tres dispositivos comparados son de red óptica, que para medir el tiempo utilizan la frecuencia de una transición atómica, la luz emitida o absorbida cuando un átomo cambia de un estado de energía a otro. Uno de ellos está basado en iones de aluminio, otro en iterbio (ambos alojados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, NIST) y el tercero en estroncio (en el instituto de investigación JILA).

Los relojes basados en diferentes átomos marchan a diferentes frecuencias. En este caso, todos funcionan dentro de un nivel de incertidumbre tan pequeño que ni siquiera ganarían o perderían un segundo sobre la edad del universo.

Estos relojes ópticos son cien veces más precisos que los relojes atómicos de cesio, por lo que podrían ser fundamentales para redefinir qué es un segundo, cuya definición actual está basada en relojes de cesio.

Pero para ello los científicos deben demostrar claramente la superioridad de los relojes ópticos a través de una serie de comparaciones. Los investigadores de BACON utilizaron unos instrumentos llamados peines de frecuencia de femtosegundos. Para ello, enviaron durante varios meses datos entre los relojes del NIST y el del JILA a través de 3,6 kilómetros de fibra óptica y, en lo que ellos consideran una primicia mundial, en forma de pulsos de láser a través del aire a lo largo de 1,5 km.

Hasta la fecha, la mayor precisión registrada para las mediciones de la relación de frecuencia entre relojes ópticos que usan diferentes bases atómicas ha alcanzado una medición de incertidumbre al nivel de precisión de 17 dígitos. La colaboración BACON ha logrado alcanzar los 18 dígitos, toda una hazaña equivalente a determinar la distancia de la Tierra a la Luna dentro unos nanómetros. «Es algo excepcional», afirma Rachel M. Godun, del Laboratorio Nacional de Física en Reino Unido, en un artículo adjunto al estudio en 'Nature'.

Además, «la demostración de los autores de que los relojes de alta precisión se pueden conectar mediante enlaces de espacio libre, sin necesidad de infraestructuras de fibra óptica, es emocionante porque abre la posibilidad a aplicaciones fuera del laboratorio, como la topografía», señala Godun.

De acuerdo a la teoría de la relatividad de Einstein, la gravedad de la Tierra hace que la frecuencia de un reloj atómico dependa de su altitud. En consecuencia, la diferencia de altura entre dos relojes remotos se puede determinar midiendo su diferencia de frecuencia. Con el nivel de incertidumbre logrado en el último trabajo, las comparaciones entre relojes podrían resolver diferencias del tamaño de un centímetro de altura. Por lo tanto, los relojes podrían suponer una nueva herramienta para el monitoreo ambiental a largo plazo de, por ejemplo, capas de hielo o niveles del océano.

Los investigaciones demostraron otra intrigante aplicación de las comparaciones de relojes. Los autores utilizaron las relaciones de frecuencia de los relojes para buscar señales de posibles interacciones entre átomos y materia oscura, la misteriosa sustancia de la que se supone está formada la mayor parte del Universo pero que nadie ha visto jamás. Según el conocimiento actual, los átomos no interactúan con la materia oscura a través de fuerzas electromagnéticas. Sin embargo, si estas interacciones existieran, causarían pequeños cambios en las frecuencias del reloj atómico. Los autores no detectaron tales cambios en su experimento, pero un resultado nulo sigue siendo útil. Combinado con datos anteriores, el hallazgo reveló que la fuerza máxima de cualquier interacciones electromagnéticas entre átomos y un tipo particular de materia oscura estaba casi diez veces más bajo de lo previamente determinado.

Godun señala que también se pueden utilizar redes de relojes ópticos para explorar muchos otros aspectos de la física, como probar la teoría de la relatividad de Einstein a niveles cada vez más estrictos y buscar posibles cambios en los valores de las constantes físicas.