Nuevamente la carrera por construir el reloj atómico más pequeño del mundo

Sep 22, 2023

24 de agosto de 2023

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por Troy Rummler, Laboratorios Nacionales Sandia

Yuan-Yu Jau está en la búsqueda de construir el reloj atómico más pequeño del mundo, un dispositivo que mide el tiempo con extrema precisión. Si tiene éxito, él y su equipo en Sandia habrán hecho uno más pequeño que un terrón de azúcar.

Pero él no es el único que traspasa los límites de los relojes diminutos.

El año pasado, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa desafió a los equipos de investigación a construir relojes más pequeños y precisos. Yuan-Yu lidera el equipo de Sandia involucrado en este esfuerzo.

"Quieren 1 centímetro cúbico para todo, y actualmente no existe ningún reloj atómico con este tipo de tamaño", dijo Yuan-Yu, cuyo diseño central es aún más pequeño: alrededor de 1 centímetro de largo y apenas 2 milímetros de ancho y alto, para una gran total de 0,04 centímetros cúbicos. DARPA solicitó que los dispositivos tuvieran una precisión de una millonésima de segundo después de una semana.

Sandia tiene experiencia en la construcción de relojes compactos. A principios de la década de 2000, los laboratorios ayudaron a desarrollar el reloj atómico a escala de chip, que es un poco más grande que una caja de cerillas, o unos 17 centímetros cúbicos. En ese momento, el CSAC era el reloj atómico más pequeño del mundo y sigue siendo el más pequeño que se puede comprar.

El reloj atómico fue inventado en 1948 en lo que entonces era la Oficina Nacional de Estándares de Estados Unidos, ahora el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. En lugar de medir el tiempo mediante eventos astronómicos como la rotación de la Tierra, o mediante medios mecánicos como engranajes, resortes o péndulos, midió el tiempo mediante señales electromagnéticas emitidas por electrones alrededor de un átomo, lo que lo hace increíblemente preciso.

Los relojes atómicos allanaron el camino para el GPS, que se basa en relojes sincronizados y súper precisos.

Irónicamente, DARPA ahora está investigando relojes pequeños y precisos para ayudar a los vehículos a navegar cuando el GPS no está disponible. Esto funciona de la misma manera que se podría calcular la distancia conduciendo un automóvil en un tramo largo de carretera. Si conduce a una velocidad constante de 60 millas por hora, sabrá que después de una hora ha viajado 60 millas. Un reloj confiable es la mitad de la ecuación.

Para aplicaciones de defensa, la navegación debe ser extremadamente precisa. DARPA está buscando relojes con una precisión de millonésimas de segundo durante hasta una semana. Si bien los mejores relojes del mundo son máquinas grandes que pueden mantener esta precisión durante decenas de miles de años, las versiones de bolsillo son menos precisas. Los objetivos de Sandia y DARPA son ser 30 veces más precisos que los relojes de pequeña escala y de última generación actuales.

La agencia también exige mejoras en el consumo de energía y la sensibilidad a la temperatura y las vibraciones.

"Esto es mucho más desafiante que lo que la gente ha hecho hasta ahora", afirmó Yuan-Yu.

La reducción del tamaño, el peso y la potencia hace que los sistemas de navegación avanzados sean más fáciles de implementar en diferentes tipos de vehículos, desde buques de guerra hasta drones y satélites.

Yuan-Yu confía en que él y su equipo podrán construir el dispositivo. En cierto modo, ya lo ha hecho.

Hace dieciséis años, entonces profesor de física en la Universidad de Princeton, construyó su primer prototipo de lo que llamó oscilador atómico láser. Era aproximadamente del tamaño de una caja de herramientas, pero realizaba la misma acción básica que un reloj atómico. Produjo un pulso constante, parecido a un reloj, derivado de hacer brillar un láser a través de una nube de átomos de potasio.

Lo más importante es que era autónomo. El oscilador no requería equipo electrónico externo para controlar el pulso periódico de la máquina.

El hardware de soporte es común en muchos tipos de relojes atómicos y normalmente ocupa la mayor parte del espacio. Si quitara los componentes electrónicos de soporte de un CSAC del tamaño de una caja de cerillas, descubriría que el tictac físico se produce en un paquete de aproximadamente el tamaño de un grano de arroz.

Yuan-Yu dijo que su prototipo era tan grande como era porque una máquina grande era más fácil de construir que una pequeña, "ya sabes, con mis dedos de salchicha".

Ahora tiene las herramientas para hacerlo más pequeño.

Yuan-Yu planea cambiar átomos de potasio por cesio y reducir su diseño original utilizando máquinas y herramientas en el complejo de Ingeniería, Ciencia y Aplicaciones de Microsistemas de Sandia, una instalación híbrida de investigación, desarrollo y producción de microelectrónica.

Como su diseño no necesita hardware periférico, cree que puede reducir drásticamente el tamaño, el peso y los requisitos de energía de los relojes atómicos.

"Utilizaremos sólo el volumen del paquete de física que existe en el reloj CSAC existente, pero nos desharemos de los complicados componentes electrónicos que lo rodean", dijo Yuan-Yu.

Proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia