Reloj de Essen o reloj atómico

Actualizado en mayo 22, 2023

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En 1955, Louis Essen desarrolló, en colaboración con Jack Parry, el primer reloj atómico práctico integrando el estándar atómico de cesio con los osciladores de cristal de cuarzo convencionales para permitir la calibración del cronometraje existente.

Historia del tiempo.

Cuantificar el tiempo ha sido una preocupación central para la ciencia, desde los antiguos relojes de agua hasta los notables cronómetros de John Harrison que convirtieron la otrora peligrosa apuesta de la navegación en un negocio rentable. La medición del tiempo también fue una preocupación central para los astrónomos, que calibraban sus relojes por el movimiento de la supuestamente estable Tierra y la Luna contra las estrellas fijas.

El descubrimiento del efecto piezoeléctrico por Pierre Curie marcó el comienzo de una nueva era: un cristal de cuarzo puesto en oscilación por un campo eléctrico podía proporcionar un ritmo constante para los circuitos eléctricos, ofreciendo un nuevo enfoque a la medición del tiempo.

En este contexto, Louis Essen, un tímido graduado en física de Nottingham, Reino Unido, se unió al Laboratorio Nacional de Física (NPL) en Teddington en 1929. Trabajó bajo la dirección de David Dye, que fue pionero en el uso del osciloscopio para investigar los circuitos eléctricos. Dye puso a Essen a trabajar en cristales de cuarzo de diferentes geometrías. Con una varilla vibratoria, Essen llevó a cabo una variante del experimento de Michelson-Morley basándose en que al girar el cristal se podía ver un cambio de frecuencia como resultado del movimiento de la Tierra a través del éter. Meticuloso en su trabajo, Essen no vio ninguna diferencia en una parte en 1011.

Los primeros acercamientos al tiempo

Luego dirigió su atención a una idea de Dye: cortando el cristal en un anillo y suspendiéndolo por seis hilos de seda podrían ponerlo en una vibración permanente con seis nodos. Miniaturizado y refinado, el anillo de Dye-Essen marcaría el tiempo en casi todos los relojes, radios y otros artículos electrónicos durante décadas. Pero todavía había espacio para mejorar.

En 1933, Isidore Rabi amplió el experimento de Stern-Gerlach (que había revelado el espín de los electrones) para determinar el momento magnético mucho más pequeño del núcleo de sodio. Rabi, junto con su estudiante de postgrado, Victor Cohen, pasó haces de átomos a través de tres regiones. Los átomos fueron desviados por un campo magnético no homogéneo en la primera región, seleccionando átomos en un estado de espín único; en la segunda región, los átomos seleccionados viajaron a través de una cavidad en un campo magnético uniforme; y en la tercera, llegaron a un detector a través de otro campo no homogéneo. Aplicando un campo de radiofrecuencia (rf) en la cavidad y sintonizándolo con la frecuencia de giro de los átomos, éstos cambiaban de estado de giro y ya no eran detectados. Rabi había inventado la resonancia magnética, por la que sería galardonado con el premio Nobel en 1944.

La base del reloj de Essen

En 1945, Rabi dio una conferencia en la que sugirió que el método de resonancia podría utilizarse para construir un cronómetro basado en las propiedades atómicas absolutas en lugar de observaciones astronómicas arbitrarias. En la Oficina Nacional de Estándares de Washington, EE.UU., se intentaron varios enfoques, incluyendo el uso de las vibraciones de amoníaco, pero cuando el proyecto no dio frutos fue abandonado.

Essen se enteró de los experimentos abortados en una visita a Washington en 1950. Regresó al Reino Unido convencido de que podía construir un mejor reloj combinando los métodos de rayos atómicos de Rabi con su propio cronómetro de cuarzo.

Construyendo su reloj

Eligió el cesio porque el acoplamiento hiperfino entre su único electrón de valencia y el núcleo le daba un par de estados de espín convenientemente separados con una larga vida útil. Empacó una versión del aparato de Rabi en un tubo evacuado de 1,5 m, con la mejora de la cavidad de microondas en forma de U de Norman Ramsey que proporcionaba dos regiones de excitación y por lo tanto señales mucho más estrechas.

El detector estaba ahora conectado a un reloj construido a partir de uno de los anillos de cuarzo de Essen, mantenido con precisión en el tiempo al conectarlo al campo rf en un bucle de retroalimentación. Cualquier disminución del ritmo del anillo sacaría de resonancia el campo rf, provocando un cambio en la señal detectada y desencadenando automáticamente una corrección del ritmo. Su primer reloj mantuvo el tiempo dentro de un segundo en 300 años; Essen estaba tan emocionado que arrastró al director del NPL «para presenciar el nacimiento del tiempo atómico«.

Una vez referido al estándar astronómico en el Observatorio de Greenwich, un reloj NPL o reloj de Essen se convirtió en el estándar mundial para la calibración del tiempo. Essen y sus colegas desarrollaron constantemente relojes más precisos, primero alargando el tubo y luego enfriando el cesio. La Oficina Internacional de Pesos y Medidas redefiniría finalmente el segundo y, a su vez, el metro en la frecuencia de transición del cesio.

El reloj atómico proporcionó los medios para revelar las sutilezas de la rotación de la Tierra. También proporcionó exquisitas pruebas de la relatividad general de Einstein, con la que, irónicamente, Essen nunca llegó a aceptar. Pero el impacto del reloj de Essen fue mucho más profundo. Con la llegada del protocolo de conmutación de paquetes para las comunicaciones, la precisión de los relojes se hizo esencial, y relojes más sofisticados han permitido tanto a los satélites de posicionamiento global como a la gran recopilación de datos que se han vuelto tan cruciales para la ciencia.

Para más información Essen’s clock