Los físicos y colaboradores de JILA han demostrado la primera "escala de tiempo" de próxima generación: un sistema que incorpora datos de múltiples relojes atómicos para producir una única señal de cronometraje altamente precisa para la distribución. La escala de tiempo de JILA supera a los mejores centros existentes para la difusiónhora oficial en todo el mundo y ofrece la posibilidad de proporcionar una hora más precisa a millones de clientes, como los mercados financieros y las redes informáticas y telefónicas.
La nueva arquitectura de escala de tiempo combina un reloj atómico avanzado y súper confiable con un dispositivo ultraestable para almacenar señales de tiempo y es un "plan para la actualización de escalas de tiempo en todo el mundo", como se describe en la revista Cartas de revisión física .
JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
"Creo que esta nueva demostración de escala de tiempo será muy importante para la redefinición del tiempo en el futuro", dijo Jun Ye, miembro del NIST / JILA y líder del proyecto.
La reciente redefinición del Sistema Internacional de Unidades SI no actualizó la forma en que se mide el tiempo. La unidad estándar de tiempo, la segunda, se ha basado en las propiedades del átomo de cesio desde 1967. En los próximos años, elSe espera que la comunidad científica internacional redefina el segundo, seleccionando un nuevo átomo como base para los relojes atómicos estándar y el cronometraje oficial.
Para prepararse para este cambio, los investigadores necesitan actualizar los sistemas para distribuir el tiempo.
NIST opera las escalas de tiempo civil de la nación, conjuntos de masers de hidrógeno, versiones de láser de microondas, que proporcionan señales oscilantes confiables para mantener un "tic-tac" estable para la hora oficial del día civil estadounidense, que está vinculada al tiempo internacional coordinadohora universal o UTC. Dos relojes atómicos basados en el estándar de cesio, llamados NIST-F1 y NIST-F2, se utilizan para calibrar y garantizar la precisión de las escalas de tiempo.
Al igual que los relojes atómicos de próxima generación, la escala de tiempo experimental de JILA funciona completamente a frecuencias ópticas, que son mucho más altas que las frecuencias de microondas de los estándares de tiempo de cesio. Las frecuencias ópticas dividen el tiempo en unidades más pequeñas y, por lo tanto, pueden ofrecer una mayor precisión.
Los esfuerzos para incorporar los últimos relojes atómicos ópticos en escalas de tiempo de microondas más antiguas se han topado con límites en la estabilidad a largo plazo, debido a las propiedades inherentes de los masers y las fluctuaciones asociadas con su vinculación con relojes experimentales que funcionan de manera intermitente.
El equipo de JILA resolvió estos problemas optimizando un tipo de oscilador más estable y controlando estrictamente las condiciones de funcionamiento, como la temperatura, para que su reloj de celosía de estroncio altamente estable y preciso pueda funcionar regularmente bajo demanda.
El oscilador está formado por un rayo láser dirigido a una cavidad hueca hecha de un solo cristal de silicio, dentro del cual la luz láser de un color específico o frecuencia, rebota regularmente de un lado a otro durante mucho tiempo, como un metrónomo.Estos dispositivos han existido durante años, pero una colaboración a largo plazo de JILA con Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, el instituto nacional alemán de metrología, ideó una nueva forma de construirlos, mejorando en gran medida la estabilidad de la luz.El equipo de JILA aumentó aún más la estabilidad a largo plazo de su cavidad, que tiene 21 centímetros de largo y opera a temperaturas criogénicas de 124 K menos 149.15 C, mediante el uso de ópticas superpulidas y un mejor control del calor, entre otros ajustes.
En la escala de tiempo JILA, un peine de frecuencia óptica una regla para la luz transfiere la señal óptica estable de esta cavidad a otro láser muy estable que se ilumina en los átomos del reloj y sincroniza la frecuencia de la luz con su tictac. Dos adicionaleslos láseres se estabilizan en cavidades independientes. Los múltiples láseres y cavidades proporcionan redundancia en caso de que algo funcione mal.
La estabilidad del oscilador se comparó continuamente con la de la escala de tiempo de microondas NIST mediante un enlace de fibra óptica subterráneo preexistente entre JILA, en el campus de la universidad, y NIST, a una milla más o menos. Más de un mes de mediciones, elLa estabilidad de frecuencia del oscilador óptico superó consistentemente la de los masers en la escala de tiempo de microondas.
Los resultados experimentales muestran que la arquitectura de escala de tiempo JILA supera a las escalas de tiempo de microondas, incluso cuando los másers están calibrados por relojes atómicos de próxima generación. El análisis del equipo indica que al ejecutar el reloj óptico JILA el 50% del tiempo, todoLa escala de tiempo óptico podría alcanzar un nivel de estabilidad aproximadamente 10 veces mejor que la escala de tiempo estándar de microondas, o 1 × 10-17, después de unos meses de promedio.
Otra ventaja práctica es que la frecuencia del oscilador se puede predecir utilizando técnicas de análisis de microondas convencionales, lo que permite al equipo estimar un error de tiempo de solo 48 ± 94 picosegundos billonésimas de segundo después de 34 días de operación.
Se planean actualizaciones técnicas adicionales, incluida la automatización que debería permitir que el reloj funcione más del 50% del tiempo. Los investigadores también planean incorporar la señal de escala de tiempo óptico en la escala de tiempo NIST utilizando la red de fibra subterránea.
El trabajo es apoyado por el NIST, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencia, PTB y el Grupo de Excelencia Fronteras Cuánticas.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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