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Tecnología

La frecuencia del tiempo

Investigadores construyen tres relojes atómicos capaces de dividir el segundo en miles de millones de veces

eduardo cesar

El reloj atómico de calcio de la Unicamp: el tercero construido en el mundo. Es más preciso que el de cesioeduardo cesar

La marcación del tiempo ha sido siempre una obsesión del hombre, desde la época en la cual hincando un poste en el suelo y haciendo unos rasgueos a su alrededor, éste creó el primer marcador de horas del mundo: el reloj de sol, invención que probablemente surgió entre los pueblos de la antigua Mesopotamia (Asia Menor), hace más de 3 mil años. Desde ese entonces, muchas cosas han cambiado. Aparecieron los relojes de agua y de arena, como las famosas ampolletas, hasta que en el siglo XVI, surgieron en Europa los relojes de péndulo, con Galileo Galilei.

Pero hace poco más de 60 años, la electrónica generó innovaciones importantes, para dotar de mayor precisión a esos artefactos. Los relojes de cuarzo, como aquéllos que usamos en nuestras muñecas, se hicieron populares. Después fue el turno del reloj atómico, el más preciso de todos, que se atrasa o se adelanta tan solo un segundo en miles de millones de años.

A estos equipos, que fijan la hora mundial y sirven para medir el tiempo durante en actividades espaciales y de telecomunicaciones, se dedican investigadores de dos institutos de física: el de la Universidad de São Paulo, con sede en São Carlos, y el de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). Estos científicos pretenden adquirir un conocimiento en dicha área del cual Brasil aún carece, además capacitar al personal especializado e implementar innovaciones en dichos relojes, que en nada se parecen con cualquier especie de marcador de horas que integre nuestro cotidiano.

Los dos grupos de investigación forman parte del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (Cepof) financiado por la FAPESP. En São Carlos, la física y posdoctoranda Mônica Santos Dahmouche realiza los últimos ajustes en el primer reloj atómico construido en Brasil. La intención de ésta y del coordinador del Cepof en São Carlos, profesor Vanderlei Bagnato, es reivindicar durante el corriente año la participación de ese equipamiento en la medición de la hora justa mundial, llevada a cabo por más de 200 relojes atómicos de 30 países. Éstos componen la llamada Hora Atómica Internacional (TAI, por su sigla en francés), instituida en 1972. Brasil participa de ese grupo con el reloj atómico del Observatorio Nacional (ON), sito en Río de Janeiro, un equipamiento adquirido en el exterior. En América del Sur, además del ON, existen tan solo otros dos aparatos en Argentina.

“El nuestro fue íntegramente desarrollado acá”, comenta Mônica. El pedido de inclusión de ese reloj en la definición de la hora mundial será realizado ante la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM, según su sigla en francés), con sede en Sèvre, Francia. Esa institución controla también el Tiempo Universal Coordinado (UTC en inglés), la hora oficial del mundo, que tiene una diferencia con relación a la TAI de cerca de 0,9 segundo por año a más o a menos, debido a la rotación irregular de la Tierra. La UTC -actual sucesora del Tiempo Medio de Greenwich (GMT), que medía la hora mundial desde 1884- sigue el tiempo de esa rotación y es ajustada con la TAI con una periodicidad de algunos años.

La unión de varios relojes de todo el mundo para marcar la hora justa puede parecer innecesaria, dada la precisión de estos equipos. Sin embargo, aspectos tales como la temperatura, la presión atmosférica y los ruidos pueden influir en la frecuencia emitida por esos relojes, actualmente basada en la pulsación de cesio 133, un elemento carente en absoluto de radiación nociva. El cesio fue el patrón elegido en 1967, durante la 13ª Conferencia Mundial de Pesos y Medidas. Es definido por la duración de 9.192.631.770 períodos de oscilación de la radiación necesaria para la transición entre dos niveles del estado fundamental del átomo de cesio 133. Esto significa que se necesita una perturbación en los electrones de ese elemento para la emisión de la frecuencia patrón.

El cesio sirve de referencia no solamente para marcar las horas, sino también como patrón de impulsos eléctricos. Tiene una frecuencia estable, y genera una señal eléctrica repetitiva. De esta manera, la unidad de tiempo también es usada para determinar el metro, por ejemplo. Actualmente, un metro es la longitud del trayecto recorrido por la luz en el vacío durante el intervalo de tiempo de 1 segundo dividido en 299.792.458 partes. Tamaña precisión requiere de equipos igualmente precisos, que hoy en día -en sus modelos comerciales- pueden hallarse en las empresas de telefonía y de transmisión de señales de televisión, y en los satélites.

Conexiones rápidas
En telecomunicaciones, por ejemplo, el reloj atómico es imprescindible desde la puesta en práctica de una nueva técnica de transmisión de datos: la SDH (sigla en inglés de Jerarquía Digital Sincrónica), utilizada en las comunicaciones vía fibra óptica. Esta técnica funciona con flujos de transmisión muy rápidos que orientan las conexiones en una gran red en fracciones de segundo. La navegación también ha ganado mucho con los relojes atómicos.

Barcos, aviones y grupos humanos situados en lugares inhóspitos adoptan el llamado GPS, el sistema de posicionamiento global, para ubicarse. Dicho sistema está compuesto por 24 satélites que giran alrededor del planeta, siendo tres de ellos suficientespara que el receptor en la Tierra descodifique e informe la coordenadas (de latitud y longitud). “Sabiendo la hora a la que entró cada señal y de dónde vino, el receptor determina la posición, pues estima cuándo el satélite emitió la señal y cuanto tiempo tardó ésta para llegar al suelo”, explica el profesor Flávio Caldas da Cruz, del Instituto de Física (IF) de la Unicamp. “Este tiempo es informado por el reloj atómico instalado dentro de los satélites”.

Pese a su uso corriente, los relojes atómicos, al igual que los relojes pulsera, están en constante evolución. En el caso de los relojes atómicos, el láser es el camino. El primero equipo construido en Brasil -en São Carlos-, es un reloj atómico de haz térmico, que comenzó a ser ideado en 1997 dentro de una sala especial, completamente blindada, con paredes rellenas de poliestireno expandido y otros materiales para aíslar los ruidos. Mantiene la estabilidad de resonancia con relación al cesio en 10-¹¹, es decir que, además de medir la fracción del segundo con 11 decimales, en el orden del picosegundo (mil millones de veces menos que un segundo), pasarían 31 mil millones de años para que se atrase un segundo. Esa marca está muy cerca de la del reloj atómico comercial, que es de 10-¹². “La investigación científica se aboca a buscar relojes que determinen la frecuencia de resonancia del cesio (aquéllos 9.192.631.770 de oscilaciones) con mayor precisión”, dice Mônica.

La estabilidad de la frecuencia del cesio en el reloj de haz térmico comienza con los átomos, que son lanzados desde un horno a una cavidad (cámara), en donde reciben los haces de láser infrarrojo, por lo tanto, por debajo del espectro visible. Una vez allí, interactúan con la radiación de 9.192.631.770 gigahertz (GHz) generada por un sintetizador de microondas y un oscilador de cuarzo. En esa cámara se produce el reacomodamiento de los electrones del átomo. Con ello, éstos absorben la energía de los láseres y empiezan a emitir fotones, que se transforman en corriente eléctrica con su frecuencia medida por software. Mediante tal medición se verifica si la frecuencia generada en el sintetizador de microondas es la correcta, resonante con el cesio, o si se necesitan correcciones.

El otro reloj atómico que se en encuentra en desarrollo en São Carlos, llamado reloj atómico tipo fuente, que utiliza átomos fríos, es considerado una evolución del primero. Al contrario que en el anterior, que funciona en forma horizontal, en este último los átomos son arrojados hacia arriba, como si fuera una fuente, dentro de un cilindro metálico. Al subir, los átomos pasan por una cavidad, llegan a su ápice y luego descienden.

Durante el descenso, pasan nuevamente por la misma cavidad, alimentada por un generador de microondas, que suministra la radiación resonante con la transición del cesio y finalmente interactúan con los haces de láseres de detección, en la zona más baja del reloj. En este caso, la interacción de los átomos dentro de la cavidad es mayor, lo que permite determinar la frecuencia de la resonancia del cesio con mayor precisión. “Este reloj fue totalmente producido en Brasil, incluido su proyecto. Con ello, nuestro grupo dominó todas las etapas, desde la idea inicial hasta la técnica de construcción”, dice Mônica.

Tanto el reloj fuente como el de haz térmico no son producidos comercialmente. En los se encuentran en el mercado, una imanes desempeñan el papel de seleccionador y detector de átomos de cesio en lugar del láser. Por eso dichos equipos también necesitan salas blindadas, lejos de cualquier tipo de interferencia.

Láser rojo
En Campinas, los investigadores del Cepof trabajan en aquello que podrá constituirse en la nueva generación de relojes atómicos. Al contrario que los equipos basados en transiciones de átomos de cesio 133, éstos utilizan calcio. Este elemento químico oscila cuando es detectado y mantenido por un láser específico en el color rojo, a 456.000 (GHz), mucho más rápido que el cesio (en 9 GHz). Éste efectúa la transferencia de la pulsación del láser rojo a otro láser, en este caso policromático, transfiriendo los tonos de repetición a un circuito electrónico que contará las oscilaciones e impulsos.

Con la oscilación de los átomos de calcio excitados por el láser, se obtiene una mejora en varios sentidos en lo que atañe a precisión. “Es muy rápido y obtenemos un conteo de tiempo repetitivo y estable”, comenta Cruz. La precisión de éste llega a 10 -17, es decir, es del orden de los fentosegundos (un segundo dividido en billones) o un número que tiene otras 15 cifras después de los dos dígitos del segundo mostrados en los relojes pulsera digitales.

Cuando esté listo, a mediados de este año, el reloj atómico de calcio del IF de la Unicamp será el tercero del mundo. Actualmente existen dos artefactos de este tipo en funcionamiento: uno producido en 2001 en el National Bureau of Standards (NIST), el instituto de metrología estadounidense, y otro en 2002, en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el instituto de metrología de Alemania.

Los Proyectos
Reloj Atómico de Haz Térmico y Reloj Atómico de Átomos en Frío
Modalidad
Centro de Óptica y Fotónica (Cepof) de São Carlos
Coordinador
Vanderlei Salvador Bagnato – Instituto de Física de la USP de São Carlos
Inversión
R$ 50.000,00 y US$ 70.000,00
Reloj Atómico Óptico de Calcio
Modalidades
Centro de Óptica y Fotónica (Cepof) de Campinas, y Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinador del proyecto
Flávio Caldas da Cruz – Instituto de Física de la Unicamp
Inversión
R$ 140.311,18 y US$ 145.778,74

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