Gracias a un nuevo reloj atómico, NIST-F4, en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el tiempo transcurre un poco más regularmente en todo el mundo. Este reloj de alta precisión, recientemente establecido como uno de los cronometradores más precisos a nivel mundial, está a punto de convertirse en un estándar de frecuencia primario, esencialmente, la fuente definitiva del tiempo, y contribuirá a una base más estable y segura para la medición del tiempo a nivel global.
Científicos del NIST han logrado un avance significativo en la medición del tiempo con el desarrollo de NIST-F4, un nuevo reloj atómico destinado a convertirse en un estándar de frecuencia primario. Este logro subraya el compromiso del NIST de mantener las capacidades de medición del tiempo más precisas a nivel mundial.
El reloj NIST-F4, meticulosamente ensamblado y rigurosamente probado durante varios años, está diseñado para ser una piedra angular del tiempo global. Como destaca el texto, “NIST-F4 hace que la base del tiempo global sea más estable y segura”. Esto se logra al unirse a un grupo selecto de relojes de élite operados por solo un puñado de países.
La función principal de NIST-F4 es medir una frecuencia invariable dentro de los átomos de cesio, el estándar reconocido internacionalmente para definir un segundo desde 1967. El reloj funciona con un diseño de “fuente”, considerado el estándar de oro para la precisión en la medición del tiempo. El texto proporciona un ejemplo convincente: “NIST-F4 late a un ritmo tan constante que si hubiera comenzado a funcionar hace 100 millones de años, cuando los dinosaurios vagaban, se desviaría por menos de un segundo hoy”.
El impacto de NIST-F4 se extiende más allá de simplemente mantener el tiempo; contribuye directamente a la estabilidad y seguridad de la medición del tiempo global. Como afirma el texto, “Al unirse a un pequeño grupo de piezas de tiempo igualmente de élite operadas por solo 10 países en todo el mundo, NIST-F4 hace que la base del tiempo global sea más estable y segura”. Además, juega un papel crucial en la guía de los relojes que el NIST utiliza para mantener la hora oficial de EE. UU.
La importancia de la medición precisa del tiempo en nuestro mundo moderno no puede ser exagerada. La hora oficial de EE. UU., distribuida a través de radio e internet, es esencial para numerosos sistemas críticos. Como explica Liz Donley, jefa de la División de Tiempo y Frecuencia del NIST, las señales horarias de relojes como NIST-F4 se “utilizan literalmente miles de millones de veces cada día para todo, desde configurar relojes y relojes de pulsera hasta garantizar el sellado de tiempo preciso de cientos de miles de millones de dólares en transacciones financieras electrónicas”.
El funcionamiento de NIST-F4, como otros relojes de fuente de cesio, se basa en los principios de la física atómica. Estos relojes sirven como “estándares de frecuencia primarios” que se utilizan para calibrar el Tiempo Universal Coordinado, o UTC. Los laboratorios nacionales de medición, incluido el NIST, generan y distribuyen versiones de UTC, como UTC(NIST), que luego se utilizan para sincronizar los relojes y las redes de las que dependemos a diario.
El diseño del reloj de fuente implica enfriar una nube de átomos de cesio a casi el cero absoluto utilizando láseres. Posteriormente, los haces láser impulsan suavemente los átomos hacia arriba, después de lo cual caen por su propio peso. Durante su viaje, los átomos pasan dos veces por una cámara llena de radiación de microondas. La primera interacción coloca los átomos en un estado cuántico que cicla a una frecuencia específica. La segunda interacción revela cuán cerca está la frecuencia de microondas del reloj de la frecuencia de resonancia natural de los átomos, lo que permite una afinación precisa.
El proceso de medición del tiempo con un reloj de fuente implica contar los ciclos de onda de las microondas finamente sintonizadas. El texto explica que un detector cuenta entonces “9.192.631.770 ciclos de onda de las microondas finamente sintonizadas. El tiempo que se tarda en contar esos ciclos define el segundo internacional oficial”.
Si bien los relojes de fuente de cesio son actualmente el estándar, el futuro de la medición del tiempo puede involucrar relojes ópticos. Como indica el texto, las naciones están considerando redefinir el segundo en términos de diferentes elementos atómicos utilizados en los relojes ópticos, que pueden medir el tiempo con aún más precisión. Sin embargo, incluso con estos avances, los relojes de fuente de cesio seguirán desempeñando un papel importante.
La construcción y el funcionamiento de los relojes de fuente de cesio son altamente especializados. El texto señala que “Menos de 20 fuentes de cesio están operando en cualquier parte del mundo”. A diferencia de los relojes atómicos comerciales, estas fuentes son construidas y operadas principalmente por científicos en laboratorios nacionales de medición. Greg Hoth, físico del NIST en el equipo del reloj de fuente, enfatiza la delicada naturaleza de esta tecnología, afirmando: “Es una tecnología hermosa que tiene verdaderas ventajas de rendimiento, pero es muy delicada”.
El camino para que NIST-F4 fuera operativo y reconocido como un estándar de frecuencia primario fue un proceso largo. El primer reloj de fuente del NIST, NIST-F1, construido a finales de la década de 1990, brindó un servicio valioso durante más de una década. Sin embargo, después de una mudanza a un nuevo edificio en 2016, NIST-F1 requirió restauración y pruebas exhaustivas, lo que llevó más tiempo de lo previsto.
La reconstrucción de los componentes principales del reloj, específicamente la cavidad de microondas, fue un paso crítico para lograr la precisión necesaria. Los científicos apuntaron a tolerancias de 5 a 10 micras, un testimonio del meticuloso trabajo involucrado. El equipo agregó y ajustó finamente varios componentes, incluyendo bobinas de calentamiento, bobinas magnéticas, ópticas y componentes de microondas. La nueva fuente fue nombrada NIST-F4, siguiendo las versiones anteriores, NIST-F1, NIST-F2 y NIST-F3.
Para garantizar la precisión de NIST-F4, el equipo de investigación realizó mediciones exhaustivas. Necesitaban tener en cuenta los posibles errores causados por factores como las fluctuaciones de presión y temperatura, y los campos eléctricos y magnéticos parásitos. El texto menciona que “compararon las pulsaciones de la fuente con las de los máseres de hidrógeno, los relojes atómicos de trabajo que marcan los segundos para la hora oficial de EE. UU., para asegurarse de que mantenían un ritmo constante e invariable”.
La evaluación de un reloj de fuente como NIST-F4 es un proceso cuidadoso y deliberado. Vladislav Gerginov, físico involucrado en el proyecto, enfatiza la importancia de la minuciosidad, afirmando: “Evaluar un reloj de fuente como NIST-F4 ‘es un proceso lento porque tenemos que ser muy conservadores. Deberíamos saberlo todo al respecto’ antes de ponerlo en servicio”. Esto se debe a que cualquier error de tiempo podría tener consecuencias significativas, afectando tanto la infraestructura de medición del tiempo de EE. UU. como la global.
La investigación del equipo del NIST, publicada en la revista Metrologia, demostró que las mediciones de frecuencia de NIST-F4 eran precisas hasta 2,2 partes en 10 a la 16ª, comparable a los mejores relojes de fuente del mundo. El equipo también ha presentado los datos del reloj al BIPM para la certificación oficial.
El éxito de NIST-F4 ha reafirmado la posición del NIST como líder mundial en estándares de frecuencia primarios. Como afirmó Liz Donley, “El éxito de NIST-F4 ha renovado el liderazgo global del NIST en estándares de frecuencia primarios”. También reconoció el ingenio y la habilidad del equipo, mencionando específicamente a Vladislav Gerginov y Greg Hoth.
NIST-F4, junto con NIST-F3, opera actualmente aproximadamente el 90% del tiempo, lo que garantiza la medición continua del tiempo. Los datos de NIST-F4 se enviarán regularmente al BIPM para calibrar UTC, y ambos relojes se utilizan activamente para dirigir la escala de tiempo del NIST, UTC(NIST). Como señala Donley, la escala de tiempo del NIST “ya se ha beneficiado significativamente del alto tiempo de actividad de la fuente y de la fiabilidad de su rendimiento”.
NIST-F4, un nuevo reloj atómico, se une a un grupo selecto de diez en todo el mundo, mejorando la estabilidad y seguridad del tiempo global. Su precisión sin igual, con un error de menos de un segundo en 100 millones de años, calibrará el Tiempo Universal Coordinado y mejorará las señales horarias vitales para numerosos sistemas. Aunque los relojes ópticos podrían eventualmente reemplazar a las fuentes de cesio, el logro de NIST-F4 subraya la importancia perdurable de la medición precisa del tiempo y destaca el liderazgo del NIST en este campo crítico.
Explore las complejidades de los relojes atómicos y los estándares de tiempo en el sitio web del BIPM: [https://www.bipm.org/](https://www.bipm.org/)
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