Empieza la primera fase de la construcción del reloj de red óptica de estroncio por el Real Instituto y Observatorio de la Armada – ROA

ENTREVISTA HÉCTOR ÁLVAREZ MARTÍNEZ – ROA

 

En el Real Instituto y Observatorio de la Armada de San Fernando- Cádiz, se construye un reloj de red óptica de estroncio, uno de los más avanzados del mundo en esta tecnología. El pasado mes de noviembre, nuestra empresa, Ingemation Ingeniería, ha realizado la última entrega de los equipos que suministramos para la construcción de dicho reloj, previsto para ser finalizado antes de 2030.

 

Con esta entrega, empieza la fase inicial de la construcción, conocida como la fase de generación y medición de frecuencias ópticas, con la instalación de los equipos fundamentales que se van a utilizar, entre ellos: medidor de longitud de ondas, peine de frecuencias ópticas, cavidades ultra-estables, sistemas de vacío y la puesta en marcha de los sistemas láseres iniciales. Es decir, en esta fase se van a incorporar láseres que van a servir para el enfriamiento, confinamiento e interrogación de los átomos, lo que permitirá que este reloj sea de máxima exactitud y estabilidad.

 

Para conocer más sobre este proyecto de gran importancia para la hora mundial, hemos realizado una entrevista al responsable del equipo: Héctor Álvarez Martínez, con la especialidad en ciencias físico-matemáticas y el máster en Astronomía y Geofísica la Armada, y doctor en ciencias físicas por la Sorbonne Université (París) y la Universidad Autónoma de Madrid.

 

¿CÓMO FUNCIONAN LOS RELOJES ATÓMICOS ÓPTICOS?

Este tipo de relojes, como atómicos que son, consisten en la interrogación de un número de átomos, neutros o iones, mediante un oscilador principal (“imperfecto”) el cual será corregido posteriormente gracias a la frecuencia extraída de los átomos que constituirá nuestra verdadera referencia (ideal). El apellido de “óptico” se debe  a la frecuencia de trabajo en la que estos relojes operan, es decir, tanto a la transición atómica elegida como al oscilador que la interrogará que, en este caso, será un láser. Una vez excitados los átomos mediante la interrogación láser, estos volverán a su estado energético inicial emitiendo una fluorescencia que será detectada y usada como señal de error, la cual será nuestro verdadero discriminador en frecuencia. De esta manera, podremos realimentar electrónicamente y corregir el láser interrogador que a la postre proporcionará una frecuencia, ahora sí, “perfecta” para su tratamiento y posterior uso como señal temporal que marcará los tictacs de nuestro reloj.

 

HAS HECHO DISTINCIÓN ENTRE ÁTOMOS NEUTROS E IONES, ¿QUÉ DIFERENCIA HAY?

Así es, en función del tipo de partícula usada como referencia nos encontramos con dos relojes distintos. El principio de funcionamiento básico, mencionado anteriormente, es el mismo pero el esquema de interrogación, su implementación práctica y prestaciones son sustancialmente diferentes. Por un lado tenemos a los iones, que al ser partículas cargadas, son más fáciles de “atrapar” mediante el uso de campos eléctricos con las conocidas trampas tipo Paul o de estas junto con un campo magnético que serían las trampas tipo Penning. En contrapartida, la fuerte repulsión que experimentan estos iones, debido a su carga eléctrica, hace que estas trampas estén limitadas a un solo ion (o a unos pocos), limitando la estabilidad del reloj. Por otro lado, los relojes que utilizan átomos neutros no tienen esta limitación pero son más difíciles de inmovilizar para su posterior interrogación. La captura y enfriamiento se llevan a cabo mediante el uso de un ralentizador Zeeman y una (o dos) trampa(s) magneto-óptica(s) (MOT, por sus siglas en inglés) así como con los diferentes láseres involucrados. Finalmente, los átomos son confinados en una red óptica formada por otro láser, como si de una caja de huevos se tratase, de la que el reloj recibe su nombre: reloj de red óptica. Además, después de cada interrogación es necesario volver a cargar, capturar y confinar nuevos átomos en la MOT lo que complica aún más la sincronización de todos los sistemas láser y componentes electro-ópticos en juego.

 

VUESTRO PROYECTO CIROES (CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN RELOJ DE RED ÓPTICA DE ESTRONCIO) ACTUALMENTE EN MARCHA, SI BIEN TENGO ENTENDIDO, ES PARA LA REALIZACIÓN DE UN RELOJ DE RED ÓPTICA, ¿POR QUÉ SI ES MÁS COMPLICADO?

Efectivamente, su acrónimo responde a la Construcción e Implementación de un Reloj de red Óptica de Estroncio. En el (ROA) hemos apostado por un reloj de estas características a pesar de su mayor complejidad y mayor tiempo de implementación por dos motivos. En primer lugar, estos relojes tienen un mayor potencial en cuanto a estabilidad se refiere. Si bien es cierto que en términos de exactitud ambos relojes (iones y de red óptica) son parecidos, una mejor estabilidad permite alcanzar esa exactitud buscada en un menor tiempo, lo que les hace idóneos para aplicaciones metrológicas de tiempo y frecuencia. No hay que olvidar que el ROA tiene la responsabilidad nacional en esta materia. En segundo lugar, las técnicas de enfriamiento de átomos mediante láser nos abren las puertas a un sinfín de nuevas áreas de investigación en física cuántica que podrían llegar a ser de interés para la Armada en los años venideros.

 

¿POR QUÉ DE ESTRONCIO?

Hay que llegar a un compromiso entre las características metrológicas intrínsecas de la especie química en sí y las limitaciones técnicas asociadas a su manipulación. Por ejemplo, debemos cerciorarnos que haya tecnología láser disponible o saber cómo de bien vamos a poder caracterizar y corregir por posibles desviaciones en frecuencia debidas a perturbaciones tanto internas como externas sufridas por los átomos.

El estroncio es un metal abundante en la naturaleza que puede ser evaporado a temperaturas razonablemente altas y pertenece al grupo de los metales alcalino-térreos, esto es, tiene dos electrones en su última capa. Esto da lugar a una serie de líneas de intercombinación que nos proporcionan las diferentes transiciones ópticas necesarias tanto para el enfriamiento de los átomos como para la excitación de la transición reloj.

 

¿QUÉ HA CAMBIADO DESDE LA CREACIÓN DE LA SECCIÓN DE HORA POR EL OBSERVATORIO DE LA ARMADA EN 1971 HASTA  2021 CON LA CONSTRUCCIÓN DEL RELOJ DE ESTRONCIO?

La Sección de Hora se crea con la llegada de los dos primeros relojes atómicos, porque hasta entonces el tiempo dependía de la Sección de Astronomía. Es decir, eran los astrónomos los encargados de determinar el tiempo en función del paso de un astro (el Sol o una estrella) por el meridiano del lugar. El tiempo se basaba en lo se denomina el tiempo solar medio. Lo que pasa es que, entre 1950 y 1954 comienza la investigación en la espectroscopia de microondas y en 1955 se consigue demostrar un reloj atómico que es capaz de medir el tiempo con una precisión mayor que la que los astrónomos eran capaces de determinar mediante observaciones de las estrellas. De esa manera empiezan a proliferar una serie de relojes que ya no necesitan ser corregidos por los astrónomos en base a sus observaciones.

Hasta entonces lo que había eran relojes mecánicos, de péndulo o incluso de cuarzo. Estos relojes, en esencia, son el oscilador local de que se componen: el muelle en espiral que transmite su energía a los engranajes, las pesas que posibilitan el movimiento el péndulo o las vibraciones del propio cuarzo cuando se le somete a una diferencia de potencial. Todos ellos tratan de marcar intervalos de tiempo de la manera más uniforme posible, pero necesitan de una referencia externa, universal, de manera que puedan ser calibrados y corregidos en caso necesario.

Por ejemplo, la batida del péndulo por su vertical variará por culpa de perturbaciones externas, como pueden ser la temperatura y la humedad, que provocarán pequeñas dilataciones del material de que esté fabricado el péndulo y que se traducirá en oscilaciones no periódicas.

Con el cuarzo pasa prácticamente lo mismo. Por culpa de la temperatura principalmente, esas oscilaciones (vibraciones) empiezan a mostrar fluctuaciones y no son tan constantes como nosotros pensábamos. De hecho, los relojes que tenemos de pulsera están pensados para trabajar a 35 o 36 grados Celsius. Si ponemos uno de ellos en un frigorífico veremos que al día siguiente puede llegar a haber atrasado o adelantado casi uno o dos minutos dependiendo de la calidad del cuarzo.

Con los relojes atómicos nos olvidamos de ese cuarzo que es corregido por los astrónomos y ahora este pasa a ser corregido por las propias fluctuaciones en frecuencia que tienen lugar en el interior de la materia. De entre los diferentes niveles energéticos que nos encontramos en un átomo, si somos capaces de interrogar el nivel de interés, obtendremos una energía (frecuencia) que está muy bien definida y que siempre será la misma. Y es precisamente esa energía emitida por el átomo (tras haber sido excitado previamente) la que usaremos para referencia nuestro reloj de cuarzo.

 

¿CÓMO EMPEZASTE EN ESTE PROYECTO? ¿Y CUÁNTAS PERSONAS HACEN PARTE DEL EQUIPO?

Una vez finalizo la formación adicional requerida por la Armada para trabajar en las secciones científicas del ROA, soy destinado a la Sección de Hora. Al poco tiempo tengo la suerte de recibir una beca de investigación asociada a uno de los proyectos de EURAMET (Asociación Europea de Institutos Nacionales de Metrología), sobre relojes ópticos en el departamento de Sistemas de Referencia Tempo-Espaciales (SYRTE, por sus siglas en francés) del Observatorio de París.

Lo que inicialmente iba a ser un año pasan a ser tres, y así pude realizar mi tesis doctoral en el SYRTE, referente mundial en metrología óptica de frecuencias. Durante mis estudios allí fue cuando comenzamos a darle forma a nuestro proyecto CIROES que ya venía gestándose unos años atrás.

Actualmente somos cuatro personas trabajando en el proyecto y se espera la incorporación de dos personas más, aunque muchos de nosotros tenemos otras responsabilidades. La idea es tener al menos tres integrantes a tiempo completo.

 

¿QUÉ IMPORTANCIA TIENE LA TEMPERATURA EN EL FUNCIONAMIENTO DEL RELOJ DE ESTRONCIO?

Nuestro laboratorio es capaz de mantener un ambiente controlado en temperatura con unas fluctuaciones de tan solo +/- 0,5 grados Celsius. Pero de cara al reloj hay que hacerlo mucho mejor que eso. Por ello, el corazón del reloj, es decir, la zona de captura y confinamiento de átomos en la MOT, se encuentra bajo alto vacío en la que la radiación láser que incide sobre los átomos consigue frenar y atrapar los átomos en el espacio. No hay que olvidar que solo se tiene acceso a la transición de interrogación o “transición reloj” cuando se ha llevado a cabo la inmovilización de los átomos satisfactoriamente. Dicho de otra manera, nuestro reloj entrará en funcionamiento si y solamente si los átomos han alcanzado temperaturas del orden del microKelvin.

 

¿POR QUÉ SE CONSIDERA QUE LOS RELOJES ÓPTICOS SON LOS RELOJES DEL FUTURO?

A día de hoy ya son una realidad, lo que pasa es que todavía no han alcanzado su límite teórico conocido como ruido de proyección cuántica. Esto es debido principalmente a limitaciones técnicas como son la realización de láseres (aún más) ultra-estables o de ciclos de carga e interrogación de átomos más eficientes. Todo parece ir convergiendo y que de aquí a unos años estos habrán alcanzado su límite fundamental. No obstante, el rendimiento actual de los relojes ópticos supera en dos órdenes de magnitud los mejores relojes atómicos de microondas (relojes tipo fuente de cesio) en los que se basa la unidad de básica de tiempo, el segundo, y donde reside la actual infraestructura de tiempo y frecuencia. Una vez que estos relojes comiencen a ser implementados en más y más laboratorios, proporcionando una red de relojes robusta y consistente, y dispongamos de los medios ópticos de comparación necesarios a escala mundial estos relojes sustituirán a los actuales de microondas sin ninguna duda.

 

¿CÓMO SE COMPARAN LOS RELOJES ATÓMICOS DEL ROA?

Los actuales relojes atómicos generan la escala de tiempo que difundimos en el territorio nacional y trabajan en el vale de las microondas. Luego, está la nueva generación de relojes que estamos construyendo, que siguen siendo atómicos pero ahora son ópticos, quiere decir que trabajan en frecuencias más rápidas y  elevadas. Frecuencias ópticas visibles proporcionadas inicialmente por un láser. Serán relojes de alta exactitud y estabilidad.

 

¿QUÉ ESCALA DE REFERENCIA SE UTILIZA?

En el ROA, generamos la escala local de Tiempo Universal Coordinado, UTC (ROA), se genera congracias a los relojes atómicos patrones de frecuencia de microondas que están en funcionamiento ahora mismo desde 1972, cuando llegaron los primeros.

Dicha escala se genera mediante un algoritmo que combina información procedente de una batería de patrones atómicos de frecuencia, formada por dos máseres de hidrogeno activos y cinco patrones de haz de cesio, optimizando la estabilidad y proporcionando otras características metrológicas de interés, como fiabilidad o control de la exactitud. El ROA participa con estos siete patrones en la generación de la escala Tiempo Atómico Internacional (TAI). Comparamos nuestros datos de hora con los que emiten otros centros metrológicos internacionales, y a su vez, otros centros utilizan nuestros datos para comparar la fiabilidad y comportamiento de sus osciladores.

 

¿QUÉ QUIERE DECIR CUANDO AFIRMAN QUE LOS RELOJES ÓPTICOS “NO SE ATRASARÁN NI ADELANTARÁN UN SEGUNDO EN 15.000 MILLONES DE AÑOS”?

Es un cálculo aproximado que da cuenta de la incertidumbre relativa de un reloj óptico, la cual puede llegar a ser de hasta 1 parte en 10¹⁸, de una manera más intuitiva y fácil de recordar.  Si tenemos en cuenta los aproximadamente 5×10¹⁷ segundos contenidos en esos 15.000 millones de años, que es una cifra cercana a la edad del universo, esto equivaldría a decir que nuestro reloj cometería un error inferior a un segundo si hubiese sido puesto en marcha desde entonces.

 

¿LOS RELOJES ÓPTICOS SON ÚTILES TAMBIÉN EN GEODESIA Y PERMITEN MEDICIONES MÁS DETALLADAS DE LA FORMA DE LA TIERRA?

Totalmente. En lugar de usar el conocimiento que tenemos sobre el campo gravitatorio terrestre para predecir los cambios en frecuencia entre dos relojes distantes, podemos darle la vuelta al problema y ver si el cambio en frecuencia de estos puede mejorar nuestro conocimiento sobre el campo gravitatorio. De manera aproximada podemos decir que, de acuerdo a la relatividad general, un centímetro equivale a una variación en frecuencia relativa de 10^-18, por lo que si somos capaces de comparar relojes con estas exactitudes podemos llevar a cabo estudios de altimetría y gravimetría a niveles jamás vistos antes, disciplina recientemente denominada como “geodesia cronométrica”.

 

¿ES CIERTO QUE EL RELOJ DE ESTRONCIO ES TAN SENSIBLE QUE PUEDE DETECTAR CAMBIOS DE ELEVACIÓN TAN PEQUEÑOS COMO COLOCAR UN LIBRO PEQUEÑO DEBAJO DEL RELOJ?

A día de hoy se han demostrado comparaciones en frecuencia de relojes ópticos con incertidumbres del orden de 10^-18, entre los que se encuentra el de estroncio, por lo que sería detectable. Como bien dices, esto quiere decir que podemos discernir perfectamente cambios en altura entre los dos relojes bajo comparación del orden de unos pocos centímetros.

 

INGEMATION INGENIERÍA HA REALIZADO LA ÚLTIMA ENTREGA DEL EJERCICIO DE 2021. ¿EN QUÉ FASE DE LA CONSTRUCCIÓN SE ENCUENTRA ACTUALMENTE?

El proyecto CIROES comenzó a finales de 2019 y se ha concebido en un total de cuatro fases, una por año, en cuanto a adquisición de material, equipos y sistemas para la implementación del reloj se refiere. Recientemente hemos recibido el material correspondiente a la tercera y penúltima entrega. Naturalmente estas adquisiciones se han programado de manera que sigan el orden lógico de implementación, pero no necesariamente tienen que ir a la par. De hecho, la consecución de los objetivos técnicos y científicos nos llevarán bastante más tiempo.

Con esta última entrega del año, empezamos la fase inicial de la construcción del reloj, con la puesta en marcha de los equipos principales que se va a utilizar como por ejemplo: el medidor de longitud de ondas, el peine de frecuencias ópticas, cavidades ultra-estables y los sistemas láseres iniciales. Digamos que es la fase de generación y medición de frecuencias ópticas.

 

EN ESTA ÚLTIMA ENTREGA, SE VA A INCORPORAR UNA CAVIDAD ULTRA-ESTABLE CON ESPEJOS CRISTALINOS, ¿QUÉ FUNCIÓN TIENE?

De entre todos los láseres que formarán parte del reloj óptico donde intervendrán más de siete frecuencias ópticas diferentes, hay uno de ellos que requiere especial atención: el láser reloj. Este láser rojo (a 698 nm) será el encargado de sondear e interrogar a los átomos una vez confinados en la red óptica. Para ello este láser debe ser ultra-estable, es decir, que su frecuencia sea lo más monocromática posible y que esta fluctúe a corto plazo (digamos de un segundo a otro) lo menos posible en el tiempo. Esto se consigue estabilizando ese láser inicial en una cavidad lineal óptica ultra-estable tipo Fabry-Perot. En esencia, la cavidad la componen dos espejos extremadamente reflectantes (conocidos como cristalinos) montados sobre un cristal de baja expansión térmica que se encierra en un sistema de alto vacío. A su vez, todo ello descansa sobre una plataforma anti-vibratoria y se aísla convenientemente tanto térmica como acústicamente. De esta manera, la luz láser inicial que se inyecta en la cavidad (los espejos permiten que una pequeña parte se transmita a través de ellos) es filtrada y acoplada en uno de sus modos resonantes. Mediante técnicas electrónicas se genera una señal de error y usa para realimentar y corregir el láser, eliminando sus fluctuaciones en origen y haciéndolo más estable.

 

¿CUÁNDO ESTÁ PREVISTO QUE SE FINALICE LA CONSTRUCCIÓN DEL RELOJ?

No sabría responder con certeza a esta pregunta. Inicialmente nos pusimos como meta conseguirlo en 6 años (contados desde 2020) pero llevamos un año de retraso en parte derivado de la pandemia. Depende de muchas variables, por ejemplo que no suframos retrasos en la compra de material óptico muy específico por falta de materias primas como nos está pasando ahora mismo o que surja algún problema técnico en algún equipo y que este deba mandarse de vuelta al fabricante para sustitución de alguna pieza, como también nos ha pasado recientemente. Estamos hablando de un reloj de laboratorio, no comercial, complejo de construir y de operar, y que ha sido implementado hasta la fecha únicamente en los laboratorios de metrología científica de tiempo y frecuencia más punteros del mundo.

Nuestro objetivo es tenerlo listo antes de 2030.

¿COMO SERÁ EL RELOJ?

Se compondrá de tres mesas ópticas. En la primera tendremos los sistemas láseres que generan la frecuencia. En la segunda se encontraría el corazón del reloj donde iría la trampa magneto-óptica que va capturar y enfriar los átomos, y la red óptica donde se confinarían e interrogarían estos.  Y finalmente habría una tercera mesa para la medición y caracterización de todos los láseres involucrados. En total se trabajará con siete frecuencias diferentes y en torno a una veintena de láseres perfectamente acompasados.

 

¿PODEMOS DECIR QUE SOIS LOS MAESTROS DE LOS RELOJES DE ÚLTIMA GENERACIÓN?

Sí, algo así. Maestros relojeros del siglo XXI.