En lo alto de dos montañas hawaianas, el NIST demuestra ser ultra

Sep 14, 2023

El cronometraje preciso desempeña un papel vital en la sincronización de numerosos sistemas en todo el mundo, desde telecomunicaciones y redes eléctricas hasta sensores de precisión e investigaciones científicas. Tradicionalmente, este proceso se logra comunicándose con satélites que utilizan relojes atómicos. Estos relojes pueden decir la hora leyendo las frecuencias de resonancia de los átomos de ciertos elementos como el cesio y el rubidio.

La próxima generación de esta tecnología, conocida como reloj óptico, aprovecha elementos que tienen frecuencias de resonancia más altas, como el estroncio y el iterbio, y requiere sistemas láser para medir. Lo más importante es que los relojes ópticos ofrecen un nivel mucho mayor de precisión en el cronometraje.

Este artículo revisa un proceso novedoso desarrollado recientemente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) para sincronizar relojes ópticos sin tener que sacrificar la fidelidad.

El año pasado, en las cimas de las montañas de Hawaii, un equipo de investigadores del NIST llevó a cabo un experimento para la transferencia óptica del tiempo con la esperanza de desarrollar un método confiable que pudiera ayudar a las redes de espacio libre a gran escala a interconectar los relojes ópticos terrestres existentes y el espacio futuro. -Relojes ópticos basados ​​en.

Los investigadores colocaron un módulo láser en el volcán Mauna Loa, apuntando a un reflector situado en el pico Haleakala en Maui. A lo largo de una distancia de unos 150 kilómetros, los científicos transmitieron a través del aire una señal horaria extremadamente precisa con niveles de potencia que podrían ser compatibles con futuras misiones espaciales.

Los investigadores sugieren que este sistema podría permitir la transferencia de tiempo desde estaciones terrestres a satélites ubicados a 36 mil kilómetros sobre la Tierra (en órbita geosincrónica), sincronizando efectivamente relojes ópticos con una precisión de femtosegundos (una billonésima de segundo). Según el NIST, esto daría como resultado una precisión aproximadamente 10 mil veces mayor en comparación con los métodos más modernos. Además, su sistema puede funcionar utilizando sólo la intensidad mínima de la señal de sincronización sin perder fidelidad, lo que lo hace muy robusto para mitigar las perturbaciones atmosféricas.

Sincronizar instrumentos a través de grandes distancias con este tipo de precisión abre un tesoro de nuevas posibilidades, particularmente en el ámbito de la física, brindando a los científicos un camino hacia una comprensión más profunda de la estructura del universo. Por ejemplo, este método puede ayudar a probar la relatividad general e incluso proporcionar información sobre la composición de la materia oscura. Fuera de los relojes ópticos, la conexión de conjuntos de sensores ubicados a grandes distancias puede hacer avanzar la interferometría de línea de base muy larga (VLBI), que podría usarse para mejorar las imágenes de los agujeros negros.

El método del NIST para vincular satélites a relojes ópticos ubicados en lados opuestos del mundo podría redefinir el segundo SI a un estándar óptico dividiéndolo en fragmentos aún más pequeños. Esto es posible gracias a un avance conocido como peine de frecuencia.

Un peine de frecuencia es un descubrimiento ganador del Premio Nobel que a menudo se describe como una regla para la luz que puede producir longitudes de onda muy finamente separadas medidas con un alto grado de precisión. Usando esta tecnología, los científicos pueden energizar con precisión los átomos en relojes ópticos y traducir las frecuencias de oscilación de terahercios a frecuencias más bajas.

Para su experimento, el equipo del NIST desarrolló una versión mejorada del peine de frecuencia, denominado peine de frecuencia programable en el tiempo. Según Laura Sinclair, física del campus de Boulder del NIST y una de las autoras del artículo, este método rompe la regla de los peines de frecuencia, que exige el uso de un espaciado de pulso fijo para una operación de precisión, lo que permite a los científicos obtener resultados extremadamente precisos. resultados incluso cuando un sistema tiene sólo un poco de luz para trabajar.

Gracias al peine de frecuencia programable en el tiempo, los investigadores pudieron enviar la señal desde Mauna Loa a Haleakala en un viaje de ida y vuelta de 300 kilómetros utilizando sólo 40 microvatios de potencia y sólo la intensidad de señal mínima necesaria para sincronizar dispositivos (conocido como límite cuántico). . En este experimento, la señal penetró en más perturbaciones atmosféricas de las que jamás encontraría en un posible viaje desde la Tierra a una órbita geosincrónica.

En última instancia, el objetivo del equipo del NIST es formar la columna vertebral de futuras redes de detección basadas en sus recientes descubrimientos. Mejorar esta tecnología exige que los investigadores reduzcan el tamaño, el peso y el consumo energético de este dispositivo, adaptándolo para su uso en sistemas móviles, siendo los más importantes los satélites.

Debido a que el NIST es una institución con una larga trayectoria como organismo oficial de estandarización de los Estados Unidos, es probable que esta tecnología se estandarice e implemente en muchos laboratorios en algún momento en el futuro cercano.

Si bien la sincronización con precisión de femtosegundos no es una actualización de primera prioridad para la mayoría de las redes de comunicaciones, esta tecnología presenta un nuevo potencial para aplicaciones de detección y medición que podrían llevar a científicos e ingenieros a desarrollar sistemas novedosos.