La Unidad de Tiempo, el SI y la Metrología Eléctrica

Transcripción

1 La Unidad de Tiempo, el SI y la Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia CENAM

2 Ícono del Fuego Nuevo Culturas prehispánicas en Mesoamérica Contenido 0. Introducción 1. La unidad de tiempo 2. El SI y el segundo 3. Peines de frecuencia 4. Relojes ópticos

3 0. Introducción Los antecedentes

4 Albert Einstein Conmemorando el primer centenario de los artículos de Albert Einstein de 1905

5 Erwin Schrödinger La Unidad de Tiempo, el SI y la ), Albert Einstein Max Born 2 2 i ψ ψ h = h + V ( x ) ( 2 t 2 m x ψ x t Niels Bohr

6 Mecánica Cuántica ih t Ψ= h 2 2m 2 Ψ+VΨ

7 Interacción Radiación-Materia Electromagnetismo/ Óptica Principio físico de operación de relojes atómicos Física Atómica ih t Ψ= h 2 2m 2 Ψ+VΨ

8 El principio para usar transiciones atómicas como referencias para construir patrones de frecuencia fue propuesto por primera vez por I. Isaac Rabi de la Universidad de Columbia en los años 1930s The Nobel Prize in Physics 1944 I. Isaac Rabi

9 La invención del método de los campos oscilantes separados y su aplicación en los relojes atómicos fue hecha por Norman Ramsey Norman F. Ramsey The Nobel Prize in Physics 1989

10 NBS-1, 1952

11 Louis Essen Caesium I, 1955 (NPL)

12 NBS-2, 1960

13 Atomichron (Atomic-Cesium) Clock, 1960 National Company, Inc Malden, Massachusetts USD 20,000

14 1. La unidad de tiempo

15 La realización de la unidad de tiempo muestra, en términos generales, una mejora en el nivel de incertidumbre de un orden de magnitud por década. El gráfico muestra la evolución del nivel de exactitud de los patrones primarios de frecuencia desarrollados por el National Institute of Stanadards and Technology (NIST).

16 Un segundo es la duración de períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado base del átomo de Cesio a Conferencia General de Pesas y Medidas Octubre de 1967

17 Primeros niveles de energía del átomo de Cesio-133 ENERGIA 850nm Eléctrica P 3/2 6 2 P 1/2 894nm 100GHz 6 2 S 1/2 Espín-órbita F =5 F =4 F =3 F =2 F =4 F =3 F =4 F =3 251MHz 200MHz 150MHz 1167MHz Hz 11 subniveles 9 subniveles 7 subniveles 5 subniveles 9 subniveles 7 subniveles 9 subniveles 7 subniveles + Electrón Núcleo + Efecto Zeeman No a escala INTERACCION

18 δe = Energía / Joules h ν HFS h ν HFS g m 2 µ 0 B I B F 0 ( 2I + 1) ± 1 2 hν HFS 4mF µ B I 1+ 2I + 1 hν 2 2 ( g + g ) µ ( g + g ) 2 HFS 1 J B Inducción magnética / 0 + Teslas B I 2 h ν J 2 HFS B 0

19 Relojes atómicos de selección magnética

20 CsV, NRC

21 Relojes atómicos de selección magnética del PTB

22 Relojes atómicos de bombeo óptico

23 El descubrimiento y desarrollo de métodos ópticos para el estudio de resonancias de radio en átomos fue llevado a cavo por Alfred Kastler Alfred Kastler France École Normale Supérieure, Université de Paris Paris, France b.1902 d.1984 The Nobel Prize in Physics 1966

24 CsOp-1, CENAM

25 Espectro de Ramsey del CsOp-1 La Unidad de Tiempo, el SI y la 180 khz Frecuencia que define a la unidad de tiempo del SI Probabilidad de Transición

26 Probabilidad de Transición La Unidad de Tiempo, el SI y la Franja de Ramsey del CsOp-1 (línea central del espectro de Ramsey) Frecuencia que define a la unidad de tiempo del SI 1 khz

27 NIST-7, NIST

28 Relojes de átomos fríos de Cs-133

29 Steven Chu Claude Cohen- Tannoudji USA France USA Stanford University Stanford, CA, USA Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France b.1948 b.1933 b.1948 Manipulación de átomos con luz William D. Phillips National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA The Nobel Prize in Physics 1997

30 Trampa Magneto-óptica Fuerzas tipo fricción y I L I L I L x z T 1 µk

31 Blindaje magnético Bobina de campo C Cavidad de microondas Láser de detección Fotodetector Cámara de enfriamiento Válvula de titanio Depósito de Cesio CsF-1, CENAM

32 Trampa Magneto-Óptica del CsF-1, CENAM

33 Sistema Óptico del CsF-1

34 NIST-F1

35 2. El SI y la Unidad de tiempo

36 candela mol La Unidad de Tiempo, el SI y la metro kilogramo segundo Kelvin Ampere

37 λυ Láser de HeNe estabilizado al Yodo para la realización de la unidad de longitud. En la realización de la unidad de longitud se requiere la medición de la frecuencia de radiación de los lásres estabilizados c =

38 = nf En la reproducción de la unidad de tensión eléctrica por medio del efecto Josephson se requiere la medición de la frecuencia de radiación con la cual se generan los pares de cooper en el dispositivo Josephson V h 2e

39 R H = ρxy (Ω ) 6000 h 4000 ne B (T) La unidad de tiempo interviene de manera indirecta en el Efecto Hall Cuántico por medio de la unidad de tensión eléctrica ρxx (Ω )

40 1 ν 0 = γb 2π En las mediciones de densidad de flujo magnético, por medio de la técnica de resonancia magnétca nuclear, la unidad de tiempo interviene a través de la medición de la frecuencia de precesión del momento magnético nuclear alrededor del campo magnético 0

41 3. Peines de Frecuencia

42 Los peines de frecuencia permiten calibrar frecuencias ópticas usando como referencia los relojes atómicos de Cesio-133 Peines de Frecuencia

43 Peines de de Frecuencia Femtosecond laser + microstructure fiber PLL 1 f r PLL 2 f r I(f) f n =f 0 +nf r 2 f 2n =f 0 +2nf r f f Optical Standard, f Hg f Hg r = m = 10 6 m

44 4. Relojes Ópticos El desarrollo de los peines de frecuencia han abierto un panorama muy interesante para el desarrollo de relojes ópticos, esto es, relojes cuya transición de referencia se encuentre en la parte visible del espectro electromagnético

45 Relojes Ópticos Trampa de iones de estroncio del NRC

46 Límite cuántico de estabilidad en frecuencia σ ( τ ) = f f 0 N 1 τ Tiempo de promediación / s Desviación de Allan σ(τ)

47 Niveles de energía de iones de mercurio

48 Relojes Ópticos Trampa de iones de estroncio del NRC Elementos químicos usados en los relojes ópticos

49 La Unidad de Tiempo, el SI y la GRACIAS Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia CENAM