Absolute frequency measurement of the $^{40}$Ca$^{+}$ clock transition using a GNSS link to the SI second

El tiempo, en su sentido más fundamental, se mide contando los pulsos constantes y rítmicos de un átomo. Durante décadas, los segundos oficiales del mundo han sido definidos por las vibraciones de átomos de cesio, un estándar que ha servido bien a la humanidad. Sin embargo, los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma más precisa de medir el tiempo, una que dependa de átomos que vibran a velocidades mucho más altas, utilizando luz en lugar de microondas. Estos relojes atómicos ópticos son tan sensibles que pueden detectar los cambios más ínfimos en la gravedad o en el paso del propio tiempo. Para ser útiles, estos relojes deben compararse con el tiempo oficial mantenido por los laboratorios nacionales, pero hacer esto requiere un puente que pueda transportar la señal a través de cientos de kilómetros sin perder su precisión.

En un estudio reciente, investigadores en Innsbruck, Austria, construyeron tal puente para medir la frecuencia exacta de un reloj específico basado en un único ion de calcio. Conectaron su laboratorio con el centro primario de cronometría en Braunschweig, Alemania, utilizando una red de satélites de navegación. Al hacer esto, determinaron la frecuencia absoluta de la transición del reloj de calcio con un nivel de precisión que nunca se había logrado antes para este montaje específico. Su trabajo no solo proporciona un número nuevo y altamente preciso sobre la rapidez con la que este reloj late, sino que también corrige una discrepancia de larga data en el registro científico y perfecciona nuestra comprensión de cómo los campos magnéticos interactúan con el átomo.

El experimento se centró en un único ion de calcio, un átomo que ha perdido un electrón, atrapado en una cámara de vacío por fuerzas eléctricas y magnéticas invisibles. Este ion actúa como el péndulo del reloj. Para hacerlo latir, los investigadores proyectan un haz de láser de un color muy específico, rojo profundo, sobre el átomo. Cuando la frecuencia del láser coincide con la vibración natural del ion, el átomo absorbe la energía y salta a un estado de mayor energía. Los investigadores buscan el momento exacto en que esto sucede, lo cual ocurre a una frecuencia de 411.042.129.776.401,2 hercios. Este número representa la cantidad de veces que el átomo vibra cada segundo. Para medir esto con una precisión tan extrema, tuvieron que asegurarse de que ningún factor externo, como campos magnéticos errantes o el calor del entorno circundante, estuviera alterando ligeramente el número.

Para conectar su reloj local al estándar internacional, el equipo estableció un vínculo con el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig, el instituto nacional de metrología alemán que ayuda a definir el Tiempo Universal Coordinado. Utilizaron un mase de hidrógeno pasivo, un dispositivo que genera una señal muy estable, como referencia local. Esta señal fue luego comparada con el tiempo mantenido por los satélites del Sistema Global de Navegación por Satélite. Al analizar el tiempo que tardaron las señales en viajar entre su laboratorio, los satélites y el laboratorio alemán, pudieron calcular la diferencia precisa entre su reloj local y el tiempo internacional oficial. Este método, conocido como Posicionamiento de Punto Preciso, les permitió transferir el estándar de tiempo a través de una distancia de varios cientos de kilómetros con un error mínimo.

La campaña de medición duró diez días en junio de 2021. Durante este tiempo, los investigadores sondearon el ion seis veces diferentes, utilizando configuraciones magnéticas ligeramente distintas para cada sonda. Esta estrategia inteligente les permitió cancelar varias fuentes de error que suelen plagar tales mediciones, incluyendo los desplazamientos causados por el campo magnético de la Tierra y los campos eléctricos dentro de la trampa. Sin embargo, descubrieron que un efecto sutil causado por las corrientes de radiofrecuencia utilizadas para mantener el ion en su lugar todavía influía en los resultados. Estas corrientes crean un campo magnético oscilante diminuto que desplaza los niveles de energía del átomo de una manera que no se había tenido plenamente en cuenta en mediciones anteriores. Al medir cuidadosamente este efecto, el equipo pudo corregir sus datos y también calcular un valor nuevo y más preciso para una propiedad fundamental del átomo de calcio conocida como el factor g de Landé, que describe cómo el átomo responde a los campos magnéticos.

El resultado final de su trabajo es una medición de la frecuencia de la transición del reloj de calcio con una incertidumbre fraccional de 1,5 veces 10 a la potencia menos 15. Para poner este nivel de precisión en perspectiva, si este reloj hubiera comenzado a latir al inicio del universo, estaría desfasado por menos de un segundo hoy en día. Este resultado sitúa su medición en acuerdo con los estudios más recientes de otros laboratorios en China e Israel, pero contradice mediciones anteriores de 2009 a 2012. Los investigadores creen que los resultados anteriores fueron menos precisos porque no tuvieron plenamente en cuenta los campos magnéticos oscilantes generados por la propia trampa. Al incluir este factor, la nueva medición resuelve el desacuerdo y proporciona un estándar más fiable para la cronometría futura.

Más allá del número específico, el estudio demuestra el poder de utilizar enlaces satelitales para comparar los relojes más avanzados del mundo. Si bien los cables de fibra óptica pueden ofrecer una estabilidad aún mayor, no siempre es práctico tenderlos entre ciudades distantes. El enlace satelital utilizado aquí ofrece una forma más simple y accesible de verificar que los relojes ópticos de todo el mundo son consistentes entre sí. Los investigadores también confirmaron que sus propias mediciones estuvieron limitadas principalmente por la estabilidad de su mase de hidrógeno local, lo que sugiere que se podrían realizar mejoras futuras utilizando una fuente de referencia aún más estable. Este trabajo marca un paso significativo en el esfuerzo global por redefinir el segundo y por utilizar estos relojes increíblemente precisos para probar las leyes fundamentales de la física.