I. Bases mecánico-cuánticas de las transiciones de niveles de energía atómica

Mecanismo de transición del nivel de energía

Cuando los electrones dentro de un átomo pasan entre diferentes estados de energía (el estado fundamental y los estados excitados), absorberán o emitirán energía electromagnética.

Ondas de frecuencias específicas. Estas frecuencias de transición están determinadas por las leyes de la mecánica cuántica y poseen una estabilidad extremadamente alta. Para

Por ejemplo, el reloj atómico de cesio utiliza la frecuencia de transición (9.192.631.770 Hz) entre dos niveles de energía hiperfina del átomo de cesio-133 como

referencia.

Principio de detección de resonancia

Ajustando la frecuencia del campo electromagnético externo (como microondas o láseres) para que coincida con la frecuencia de transición inherente del átomo.

Cuando se alcanza la resonancia, el átomo absorbe una gran cantidad de energía y experimenta una transición de nivel energético. En este momento, el sistema de detección...

se bloquea en esta frecuencia como referencia de tiempo.

II. Rutas de implementación de tecnologías clave

Diferencias entre los relojes de microondas y los relojes ópticos

Los relojes de microondas (como los relojes atómicos de cesio) utilizan la banda de microondas (aproximadamente 9 GHz) para estimular las transiciones atómicas, con una precisión que alcanza un

error de 1 segundo cada 20 millones de años.

Los relojes ópticos (como los relojes de red óptica de estroncio) utilizan frecuencias ópticas (aproximadamente 429 THz), lo que mejora la precisión a un error de 1 segundo en 30

Miles de millones de años. Convierten señales ópticas de alta frecuencia en señales contables de baja frecuencia mediante tecnología de peine óptico de frecuencia.

Sistema de control de retroalimentación

Los relojes atómicos contienen un sistema de ajuste de bucle cerrado: el oscilador genera la frecuencia inicial → la cavidad de resonancia atómica detecta la

Pico de absorción → el circuito de retroalimentación corrige la frecuencia del oscilador → finalmente, se emite una señal estable. Por ejemplo, la fuente de cesio NIST-F2.

El reloj logra una estabilidad del orden de E-16 mediante tecnología de resonancia de microondas.

III. Avances científicos en la mejora del rendimiento

Selección de materiales

El cesio (Cs) y el rubidio (Rb) se han convertido en las opciones preferidas debido a sus claras estructuras de niveles energéticos y frecuencias de transición estables. En 2025,

El nuevo reloj de rubidio de China ha mejorado la estabilidad de segundo nivel a E-14 (una parte en un cuatrillón), y el reloj de red óptica de estroncio puede incluso

lograr un error de 1 segundo en miles de millones de años.

Evolución tecnológica

Desde el primer reloj atómico en 1948 hasta el reloj atómico frío espacial llevado por Tiangong-2 en 2016, y luego al reloj cuántico desarrollado por el Reino Unido.

En 2025, el camino tecnológico habrá evolucionado desde dispositivos macroscópicos hasta la integración a nivel de chip.

IV. Escenarios de aplicación y relevancia estratégica

La alta precisión de los relojes atómicos los convierte en componentes centrales de los sistemas de navegación por satélite (como GPS y Beidou), lo que permite el posicionamiento

A través del tiempo. Además, campos como la exploración del espacio profundo, la sincronización de transacciones financieras y la sincronización de redes 5G...

Todos dependen de la referencia temporal de nivel nanosegundo proporcionada por los relojes atómicos.