El reloj atómico de hidrógeno es un tipo de reloj atómico. Gracias a su principio único y excelente rendimiento, ocupa un lugar destacado en el campo de la medición de tiempo y frecuencia de alta precisión.

1. Principio básico

El principio básico del reloj atómico de hidrógeno se basa en la transición de nivel energético específico de los átomos de hidrógeno. El núcleo (protón) de los átomos de hidrógeno posee propiedades de espín, al igual que los electrones. Cuando las direcciones de espín de los electrones y los protones son paralelas y antiparalelas, existe una ligera diferencia en el estado energético de los átomos de hidrógeno. La transición entre estos dos estados corresponde a una frecuencia específica. En el reloj atómico de hidrógeno, primero se selecciona el estado del átomo de hidrógeno y se inyecta en una burbuja de almacenamiento hecha de materiales especiales, la cual se coloca en una cavidad resonante de microondas. Cuando la frecuencia de transición del átomo de hidrógeno coincide con la frecuencia de la cavidad resonante, se produce resonancia, generando así una señal de frecuencia muy estable, que sirve como referencia temporal del reloj atómico de hidrógeno.

2.Composición estructural:

Sistema atómico:

Incluye fuente de haz de átomos de hidrógeno, selector de estado, burbuja de almacenamiento y cavidad resonante. La fuente de haz de átomos de hidrógeno genera un haz de átomos de hidrógeno, el selector de estado selecciona átomos de hidrógeno en un estado específico, la burbuja de almacenamiento se utiliza para almacenar átomos de hidrógeno y la cavidad resonante proporciona un entorno que se adapta a la frecuencia de transición de los átomos de hidrógeno.

Sistema de microondas:

Genera y controla señales de microondas para estimular la transición del nivel de energía de los átomos de hidrógeno y detecta señales de resonancia.

Sistema electrónico:

Procesa y amplifica las señales generadas por el sistema de microondas y ajusta la frecuencia de microondas a través del monitoreo y la retroalimentación de la señal de resonancia para mantenerla consistente con la frecuencia de transición de los átomos de hidrógeno, manteniendo así una salida de frecuencia de tiempo estable.

Características de rendimiento:

Estabilidad ultraalta a corto plazo:

La estabilidad de frecuencia del reloj atómico de hidrógeno es extremadamente alta en un corto período de tiempo (como segundos a horas), lo que hace que funcione bien en algunas aplicaciones que requieren precisión temporal a corto plazo, como la interferometría en radioastronomía, experimentos de física cuántica, etc.

Pequeña deriva de frecuencia a largo plazo:

Si bien los diferentes tipos de relojes atómicos tienen características propias en cuanto a estabilidad a largo plazo, la deriva de frecuencia a largo plazo del reloj atómico de hidrógeno es relativamente pequeña. Tras una calibración y un mantenimiento adecuados, puede mantener una alta precisión durante mucho tiempo, lo que proporciona un soporte fiable para sistemas que requieren una referencia temporal estable a largo plazo.

Tamaño y consumo de energía:

En comparación con otros tipos de relojes atómicos (como los de cesio), los de hidrógeno son de mayor tamaño y consumen una energía relativamente mayor. Esto limita en cierta medida su aplicación en dispositivos portátiles con requisitos estrictos de tamaño y consumo. Sin embargo, en instalaciones fijas o en situaciones con requisitos de precisión extremadamente altos, sus ventajas de rendimiento compensan esta deficiencia.

Áreas de aplicación:

Investigación científica:

En radioastronomía, se requiere una sincronización horaria precisa entre múltiples radiotelescopios para realizar mediciones interferométricas y obtener imágenes de alta resolución de cuerpos celestes. El estándar de alta precisión de los relojes atómicos de hidrógeno puede satisfacer esta demanda y ayudar a los astrónomos a observar y estudiar los cuerpos celestes en el universo con mayor precisión. En experimentos de física cuántica, como el entrelazamiento cuántico y la comunicación cuántica, la precisión en la medición del tiempo es crucial para el éxito del experimento, y los relojes atómicos de hidrógeno proporcionan una garantía de tiempo fiable para estos experimentos.

Comunicaciones y navegación por satélite:

En los sistemas de comunicación por satélite, los relojes atómicos de hidrógeno se utilizan para proporcionar patrones de tiempo precisos que garanticen comunicaciones precisas entre satélites y entre satélites y estaciones terrestres. En los sistemas de navegación por satélite, si bien los relojes atómicos de rubidio y cesio se utilizan ampliamente en la actualidad, la alta precisión de los relojes atómicos de hidrógeno puede mejorar aún más la precisión del posicionamiento de navegación, especialmente en algunos escenarios de aplicación con requisitos de precisión extremadamente altos, como la industria aeroespacial y la cartografía oceánica.

Metrología y calibración:

Como estándar de tiempo y frecuencia de alta precisión, los relojes atómicos de hidrógeno se utilizan ampliamente en el campo de la metrología y la calibración, se utilizan para calibrar otros relojes atómicos, estándares de frecuencia y varios instrumentos y equipos que requieren una medición precisa de tiempo y frecuencia, para garantizar la precisión y consistencia de la medición de tiempo y frecuencia.