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Metrología

Precisión Tupiniquim

Un nuevo reloj atómico capaz de atrasar un segundo en millones de años es desarrollado en el país

A lo largo de la historia, el hombre inventó muchos tipos de relojes para marcar el paso del tiempo. La trayectoria tecnológica comenzó con el reloj de sol, pasó por el reloj de arena, por los mecanismos de cuerda y por los marcadores digitales hasta llegar a los modelos más avanzados y precisos que son hoy los aparatos atómicos. Esos equipamientos funcionan con láser y están basados en la oscilación de la radiación natural de átomos de cesio-133, sin ser nocivo para los seres vivos. El modelo más reciente de esos relojes fue proyectado y construido en el Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la Universidad de São Paulo, en São Carlos. Él es del tipo llamado fountain (fuente) o chafariz, nombre relacionado a los movimientos sincronizados de átomos fríos (enfriados), dentro del equipamiento, de arriba para abajo, y representa una evolución sobre los relojes atómicos comerciales que usan átomos calientes (calentados) e imanes. Apenas Francia, Estados Unidos, Italia, Alemania e Inglaterra ya hicieron relojes semejantes.

La filosofía es la misma de los investigadores de otros países, pero nosotros conseguimos configuraciones propias para ese equipamiento, que deberá, en el futuro, servir como nuevo patrón de tiempo y frecuencia en todo el mundo, dice el profesor Vanderlei Salvador Bagnato, coordinador del proyecto que forma parte del Centro de Investigaciones en Óptica y Fotónica (Cepof) de São Carlos, un de los 11 centros de investigación, innovación y difusión financiados por la FAPESP. Las conclusiones y los resultados obtenidos por los investigadores brasileños serán mostrados en un simposio sobre metrología del tiempo y de la frecuencia del Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos, organización conocida por la sigla IEEE, en Miami, en Estados Unidos, en este mes de junio.

Los relojes atómicos son marcadores de tiempo que se atrasan un segundo en más de 100 millones de años. Un atraso que ciertamente no interfiere en lo cotidiano de las personas, como a la hora de despertar, en la entrada al trabajo, en compromisos variados o en horarios de partida de ómnibus o de aviones. Pero tiene fundamental importancia en muchas otras áreas. Ellos son los responsables, por ejemplo, de la marcación de la hora mundial. Más de 300 relojes atómicos diseminados en 50 países, inclusive Brasil Observatorio Nacional, en Río de Janeiro, aciertan el horario oficial de todo el planeta. Ellos componen el Tiempo Universal Coordinado, UTC en la sigla en inglés, basado en la llamada Hora Atómica Internacional (TAI, del francés Temps Atomic International), instituida en 1972, que substituyó a la Hora Media de Greenwich (GMT en inglés) basada en la observación del Sol y de las estrellas.

Sincronismo óptico
Relojes atómicos son imprescindibles en las telecomunicaciones. Ellos controlan o tráfico de las comunicaciones de fibras ópticas, mensuran los flujos de datos, miden la duración de las transmisiones y ayudan a dirigir las llamadas. En el intercambio de datos y de voz el sincronismo garantiza el buen funcionamiento del sistema. Actualmente, sin un horario preciso y equivalente entre dos o más puntos en los sistemas de telecomunicaciones, se corre el riesgo de errores que comprometan las llamadas. En la localización geográfica vía satélite, las fracciones de segundo también son imprescindibles. Compuesto por 24 satélites que están en órbita,  el planeta, o GPS, la sigla en inglés para el sistema de posicionamiento global, identifica un punto preciso en el suelo terrestre, facilitando la navegación de aviones, de navíos, de barcos y, más recientemente, de automóviles y jipes sofisticados. Apenas tres señales son suficientes para el receptor en la tierra decodificar la transmisión e informar las coordenadas (latitud, longitud y altitud). Esos satélites emiten señales de microondas que son sincronizadas entre si, alcanzan el suelo y regresan. La diferencia del tiempo de llegada de la señal de cada satélite determina en el receptor terrestre la localización puntual en la superficie del planeta. La distancia entre los satélites también es marcada en fracciones de segundo y es importante para la determinación de las coordenadas. Todas esas informaciones de tiempo vienen del reloj atómico instalado dentro de los satélites, explica Bagnato.

Tamaño sincronismo es igualmente importante en las transacciones bancarias y hasta en la prospección de petróleo, cuando es necesario medir, en fracciones de segundo, las señales enviadas para el interior de la tierra y obtener la señal de vuelta para ayudar en la identificación de la existencia de aceite allá abajo. También podemos utilizar el reloj atómico para comparar instrumentos de precisión que serán usados en medidas de grandezas electrónicas y magnéticas, dice Bagnato. En todos los ejemplos, la precisión exigida es de hasta pico-segundos, o la fracción del segundo (s) con hasta 11 lugares (10-11), equivalente a 1 s dividido por 1 mil millones de veces. Es esa la medición presentada por los relojes atómicos comerciales. Pero en el área de investigación científica y tecnológica, en todo el mundo, se busca una mayor precisión todavía. El más avanzado reloj atómico, también en el sistema fountain, fue construido en el Observatorio de Paris, en Francia, y tiene la precisión de 10 -16, ya en el orden de los femtos-segundos, medida que equivale a 1 segundo dividido por 1 cuatrillón. Aún no finalizamos la aferición de nuestro aparato porque estamos esperando un equipamiento para completar esa medida, pero creemos que, por lo menos, podamos alcanzar 10-13, lo que representa para nosotros una madurez científica y tecnológica, dice Bagnato. En un final, él es el primer reloj fountain hecho en el hemisferio Sur, conmemora.

Construir relojes atómicos en Brasil es fundamental para la investigación básica y el desarrollo de la tecnología. Es importante poseer el dominio de ese conocimiento. El patrón del segundo es el más preciso que existe y sirve para obtener otras medidas como el metro, dice el físico Humberto Siqueira Brandi, director de metrología científica e industrial del Instituto Nacional de Metrología, Normalización y Calidad Industrial (Inmetro). Él se refiere al hecho de que el patrón usado para identificar el metro no sea más una barra de metal en un instituto europeo, como en el pasado.

Hoy el metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío durante el intervalo de tiempo de 1s dividido por 299.792.458 partes o metros por segundo, que es la medida exacta de la velocidad de la luz. Esas medidas son posibles con los relojes atómicos y cuanto más avanzados, como el chafariz, mayor es la garantía de precisión, dice Brandi. Un reloj atómico más preciso puede servir también para comparar otros similares existentes en el país, así como evaluar la precisión llevando en cuenta la acción de los agentes externos como la temperatura, la humedad, las vibraciones y los campos magnéticos.

Oscilación certera
El modelo chafariz es el segundo reloj atómico construido por el equipo liderado por Bagnato, compuesto actualmente por las cursantes de doctorado Aida Bebeachibuli, con beca de la Coordinación de Perfeccionamiento de Personal de nivel Superior (Capes), Stella Tavares Miller, con beca del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), y el cursante del pos-doctorando Daniel Varela Magalhães, investigador de la USP que actualmente trabaja en el Observatorio de Paris. El primer reloj fue del tipo horizontal de haz térmico en que átomos de cesio son lanzados en alta velocidad de un horno para una cámara en donde ellos reciben haces de láser infrarrojo e interactúa con la radiación (onda electromagnética) de 9.192.631.770 gigahertz (GHz) producida por un generador de microondas. Esa misma frecuencia representa el segundo que es definido por la duración de 9.192.631.770 períodos de oscilación, entre los niveles del estado fundamental y el de más baja energía de la radiación del átomo de cesio-133.

El chafariz también trabaja con energías muy precisas en radiaciones que oscilan en una frecuencia bien determinada. Él funciona de forma vertical y semejante al reloj térmico, pero la precisión es mayor porque él trabaja con átomos fríos y sin la velocidad de los otros tipos de relojes atómicos. La función del láser es juntar esos átomos de cesio y paralizarlos en una especie de armadilla óptica. La fuerza del propio láser hace, entonces, el grupo cohesionado de átomos elevarse en un tubo metálico hasta una cavidad en donde él recibirá el baño de microondas con la frecuencia de 9.192.631.770 gigahertz (GHz) que es la misma de la oscilación de la radiación del átomo de cesio-133. Al entrar en la cavidad los átomos experimentan la frecuencia y salen de allí. Como ellos están fríos, el nivel de energía es diferente. Esa diferencia entre las dos frecuencias corresponde al segundo.

El próximo paso del grupo del Cepof es desarrollar relojes compactos de átomos fríos, equipamientos aún inéditos en el mundo. El nombre el equipo ya tiene. Será el TAC (Tupiniquim Atomic Clock), o el reloj atómico brasileño.
Ellos están desarrollando un reloj pequeño, del tamaño de los comerciales, que son un poco mayores que un videocasete. Ese seria un equipamiento tipo de haz térmico. También estamos preparando el Super Tac, que deberá ser un reloj que no va a necesitar tener reposición, de tiempos en tiempos, de átomos de cesio como los demás, cuenta Bagnato.

El Proyecto
Relojes atómicos
Modalidad
Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepids)
Coordinador
Vanderlei Salvador Bagnato -USP/Centro de Óptica y Fotónica (Cepof) de São Carlos
Inversión
US$ 70.000,00 por año (FAPESP)

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