La Unidad de Tiempo, el SI y la Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia CENAM
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
0. Introducción Los antecedentes
Albert Einstein Conmemorando el primer centenario de los artículos de Albert Einstein de 1905
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
Mecánica Cuántica ih t Ψ= h 2 2m 2 Ψ+VΨ
Interacción Radiación-Materia Electromagnetismo/ Óptica Principio físico de operación de relojes atómicos Física Atómica ih t Ψ= h 2 2m 2 Ψ+VΨ
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
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
NBS-1, 1952
Louis Essen Caesium I, 1955 (NPL)
NBS-2, 1960
Atomichron (Atomic-Cesium) Clock, 1960 National Company, Inc Malden, Massachusetts USD 20,000
1. La unidad de tiempo
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).
Un segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133 13a Conferencia General de Pesas y Medidas Octubre de 1967
Primeros niveles de energía del átomo de Cesio-133 ENERGIA 850nm Eléctrica + 6 2 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 9192631770 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
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
Relojes atómicos de selección magnética
CsV, NRC
Relojes atómicos de selección magnética del PTB
Relojes atómicos de bombeo óptico
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
CsOp-1, CENAM
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
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
NIST-7, NIST
Relojes de átomos fríos de Cs-133
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
Trampa Magneto-óptica Fuerzas tipo fricción y I L I L I L x z T 1 µk
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
Trampa Magneto-Óptica del CsF-1, CENAM
Sistema Óptico del CsF-1
NIST-F1
2. El SI y la Unidad de tiempo
candela mol La Unidad de Tiempo, el SI y la metro kilogramo segundo Kelvin Ampere
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 =
= 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
R H = 14000 12000 10000 8000 ρxy (Ω ) 6000 h 4000 ne 2000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 B (T) La unidad de tiempo interviene de manera indirecta en el Efecto Hall Cuántico por medio de la unidad de tensión eléctrica 2 2500 2000 1500 1000 500 0 ρxx (Ω )
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
3. Peines de Frecuencia
Los peines de frecuencia permiten calibrar frecuencias ópticas usando como referencia los relojes atómicos de Cesio-133 Peines de Frecuencia
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
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
Relojes Ópticos Trampa de iones de estroncio del NRC
Límite cuántico de estabilidad en frecuencia σ ( τ ) = f f 0 N 1 τ Tiempo de promediación / s Desviación de Allan σ(τ)
Niveles de energía de iones de mercurio
Relojes Ópticos Trampa de iones de estroncio del NRC Elementos químicos usados en los relojes ópticos
La Unidad de Tiempo, el SI y la GRACIAS Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia CENAM