Optical Signals Synthesized from an Optical Lattice Clock with Uncertainty of 1.3E-17

El tiempo es la moneda más fundamental que poseemos, sin embargo, nuestra mejor forma de medirlo ha estado limitada durante mucho tiempo por el tic-tac lento y pesado de un péndulo hecho de átomos vibrantes. Durante décadas, el estándar internacional para un segundo dependió de señales de microondas de átomos de cesio, un método que, aunque fiable, deja un pequeño margen de error que se acumula con el tiempo. Los científicos han soñado durante mucho tiempo con un mejor reloj, uno que utilice las vibraciones mucho más rápidas de la propia luz. Estos "relojes ópticos" son tan precisos que, si uno hubiera estado funcionando desde el principio del universo, hoy tendría un desfase de menos de un segundo. Sin embargo, un reloj que es demasiado rápido resulta inútil si no podemos traducir su rápido tic-tac en una señal que podamos utilizar para otros fines. Para cerrar esta brecha, los investigadores necesitan un dispositivo que pueda tomar el latido ultrapreciso de un reloj óptico y ralentizarlo, o acelerarlo, para crear una nueva luz láser estable en cualquier color que el usuario desee, sin perder esa increíble exactitud en el proceso. Este dispositivo se llama sintetizador de frecuencias ópticas, y es la clave para convertir los relojes más precisos del mundo en herramientas prácticas para la ciencia.

Un equipo de investigadores de la Universidad Normal de China Oriental en Shanghái ha construido ya tal dispositivo y ha demostrado que funciona con una fidelidad extraordinaria. Crearon un sistema que toma la señal de su propio reloj de red óptica de iterbio de última generación y la utiliza para generar un nuevo haz de luz láser de frecuencia única. La belleza de su trabajo reside en el hecho de que el nuevo láser hereda la perfección del reloj original. Los investigadores descubrieron que la incertidumbre de su señal final es increíblemente pequeña, ascendiendo a solo 1,3 veces 10 a la potencia de menos 17. Para poner esto en perspectiva, si este reloj hubiera funcionado durante toda la edad del universo, habría perdido menos de un segundo. Este nivel de precisión significa que el dispositivo puede servir ahora como una referencia maestra, capaz de producir luz estable en casi cualquier longitud de onda que los científicos puedan necesitar, desde el espectro visible hasta el infrarrojo, manteniendo al mismo tiempo la misma rigurosa exactitud que el reloj.

El corazón de este logro es un método ingenioso para dividir la frecuencia del reloj. Imagine la luz del reloj como un tren de alta velocidad moviéndose a lo largo de una vía. Los investigadores necesitaban crear un nuevo tren que se moviera a una velocidad específica y más lenta, pero querían asegurarse de que el nuevo tren nunca se desviara del curso. Utilizaron una herramienta llamada peine de frecuencias ópticas, que actúa como una regla precisa hecha de luz, para medir y dividir la frecuencia del reloj. Al acoplar su láser de salida a esta regla, aseguraron que cualquier pequeño bamboleo en el reloj se transfiriera perfectamente al nuevo láser. El sistema es tan estable que los errores introducidos por el propio proceso de división son insignificantes, mucho menores que los límites naturales del reloj. Esto significa que la calidad de la salida está determinada casi por completo por la calidad del reloj, que en este caso es uno de los mejores del mundo.

Para entender por qué este resultado es tan significativo, uno debe observar el reloj mismo. Los investigadores utilizaron una red de luz para atrapar miles de átomos de iterbio, manteniéndolos inmóviles para que pudieran ser medidos sin la interferencia del calor o el movimiento. Enfriaron estos átomos a temperaturas de apenas una fracción de grado por encima del cero absoluto, utilizando una técnica llamada enfriamiento de banda lateral para asentarlos en su estado de energía más bajo posible. Incluso a estas temperaturas extremas, los átomos siguen siendo afectados por su entorno. Los investigadores tuvieron que tener en cuenta el calor que irradia de las paredes de su cámara de vacío, conocido como radiación de cuerpo negro, que puede desviar ligeramente a los átomos y cambiar el tic del reloj. También tuvieron que corregir el desplazamiento de luz causado por los propios láseres que mantienen a los átomos en su lugar. Al medir y corregir cuidadosamente estos efectos, determinaron que su reloj está limitado principalmente por estos dos factores: el calor de la habitación y la luz que sujeta a los átomos.

El equipo no solo construyó la máquina; probaron rigurosamente cada posible fuente de error para saber exactamente qué tan buena era. Midieron la temperatura de su cámara de vacío con sensores de alta precisión y calcularon el efecto de la radiación de calor, encontrando que este era la mayor fuente de incertidumbre. También analizaron los desplazamientos de luz de la red y de los láseres de sonda, asegurándose de que los átomos no estuvieran siendo empujados o tirados de una manera que pudiera distorsionar la medición del tiempo. Incluso comprobaron la influencia de campos magnéticos errantes y colisiones con gases de fondo. Tras contabilizar cada factor conocido, la incertidumbre total se mantuvo en esa notable cifra de 1,3 veces 10 a la potencia de menos 17. Este nivel de certeza demuestra que el sintetizador de frecuencias ópticas no es solo un concepto teórico, sino una realidad operativa que ahora puede utilizarse para explorar el universo con una sensibilidad sin precedres.

Las implicaciones de este trabajo se extienden mucho más allá de llevar un mejor control del tiempo. Con una herramienta capaz de generar luz estable en cualquier frecuencia con tal exactitud, los científicos pueden ahora buscar cambios en las constantes fundamentales de la naturaleza, buscando indicios de que las leyes de la física podrían cambiar con el tiempo. Abre la puerta a la detección de la materia oscura y a la comprobación de las teorías de la gravedad con una precisión que antes era imposible. Los investigadores ya están mirando hacia el futuro, planeando mejorar su reloj aún más mediante el blindaje de los átomos contra el calor y los campos eléctricos de manera más efectiva, con el objetivo de reducir la incertidumbre al nivel de 10 a la potencia de menos 18. Por ahora, han demostrado con éxito que el puente entre el mundo ultra rápido de los relojes ópticos y el mundo práctico de los láseres utilizables es sólido, estable y está listo para los próximos grandes descubrimientos de la física.