El equipo de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Alemania ha desarrollado con éxito una serie de relojes atómicos ópticos avanzados, incluyendo relojes de ion único y relojes de red óptica. Estos nuevos relojes demuestran una precisión sin precedentes y pueden ser más de 1,000 veces más precisos que los relojes atómicos de cesio existentes que definen el "segundo" en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Los resultados de investigación relevantes fueron publicados en el último número de Physical Review Letters.

Los relojes atómicos de próxima generación utilizan frecuencias láser como base para la medición del tiempo, y sus frecuencias son aproximadamente 100,000 veces mayores que las frecuencias de microondas utilizadas por los relojes atómicos de cesio actuales. Aunque aún se encuentran en etapa de evaluación, la precisión de algunos relojes atómicos ópticos existentes ya ha alcanzado 100 veces la de los relojes de cesio. Con más pruebas y comparaciones globales, se espera que se conviertan en las herramientas clave para redefinir el "segundo".

En el principio de funcionamiento de los relojes atómicos ópticos, los átomos son irradiados por láseres con frecuencias específicas, lo que hace que los átomos cambien sus estados cuánticos. Para garantizar que ocurran tales transiciones, es necesario proteger los átomos de interferencias externas y medir con precisión cualquier influencia residual. Para los relojes atómicos ópticos que contienen iones atrapados, este proceso es particularmente efectivo. Los iones pueden ser capturados por campos eléctricos y mantenidos en un espacio diminuto en el vacío, logrando así un sistema cuántico casi ideal y libre de interferencias. Por lo tanto, la incertidumbre sistemática relativa de los relojes de iones puede alcanzar un nivel más allá de 18 decimales. En otras palabras, si el cronometraje comenzara desde el Big Bang, dicho reloj tendría un error de como máximo un segundo.

Tradicionalmente, estos relojes dependen de señales emitidas por un solo ion reloj y requieren un tiempo prolongado (a veces hasta dos semanas) para medir la frecuencia. Para mejorar la eficiencia, los relojes recién desarrollados han introducido procesamiento paralelo, es decir, múltiples tipos diferentes de iones pueden ser capturados simultáneamente en la misma trampa de iones. Estos iones interactúan para formar una estructura cristalina y combinan las características de diferentes tipos de iones para mejorar el rendimiento.

El equipo eligió iones de indio esta vez porque poseen propiedades superiores para lograr alta precisión, y agregó iones de iterbio para un enfriamiento efectivo. Mientras tanto, resolvieron dificultades previas mediante métodos innovadores, haciendo que la precisión del nuevo reloj se acerque a 18 decimales.

En las mediciones comparativas, se involucraron otros dos sistemas de relojes ópticos y un sistema de reloj de microondas en la Physikalisch-Technische Bundesanstalt: el reloj de iterbio de ion único, el reloj de red de estroncio y el reloj de fuente de cesio. La relación entre el reloj de indio y el reloj de iterbio ha alcanzado por primera vez los requisitos de incertidumbre general, cumpliendo con los estándares estrictos requeridos para redefinir el "segundo".

Este esquema anuncia la llegada de una nueva generación de relojes de iones ópticos altamente estables y precisos. No solo es aplicable a otros tipos de iones, sino que también allana el camino para conceptos de relojes completamente nuevos.