Un equipo de físicos de Estados Unidos y Rusia han anunciado que ha desarrollado un medio de computación, de una precisión sin precedentes, para subsanar la pequeña fuente de error, que depende de la temperatura, de los relojes atómicos. Aunque pequeña, la corrección podría representar un gran paso hacia la meta cronométrica de los relojes atómicos, con una precisión equivalente a un segundo de error cada 32 mil millones de años, más allá de la edad del universo.

El cronometraje de precisión es una de las tecnologías fundamentales de la ciencia y la tecnología modernas. Se conforma como condición indispensable para la navegación precisa en la Tierra y en el espacio profundo, la sincronización de los flujos de datos de banda ancha, las medidas exactas del movimiento, las fuerzas y campos, y las pruebas de la constancia de las leyes de la naturaleza a través del tiempo.

«Usando nuestros cálculos, los investigadores cuentan con un efecto sutil que es uno de los que más contribuyen al error de la cronometría atómica moderna», señala la autora principal Marianna Safronova, de la Universidad de Delaware, y primera autora de la presentación. «Esperamos que nuestro trabajo mejore aún más, en lo que ya es la medición más exacta de la ciencia: la frecuencia del reloj del aluminio lógico-cuántico», añade Charles Clark, coautor y físico del Joint Quantum Institute, en una colaboración del National Institute of Standards and Technology (NIST) y la Universidad de Maryland.

El documento fue presentado en la Conferencia sobre Láseres y Electro-Óptica 2011 en Baltimore, Maryland.

El equipo estudió un efecto que es familiar a cualquiera que haya disfrutado del calor de una fogata: la radiación térmica. Cualquier objeto a una temperatura, ya sean las paredes de una habitación, una persona, el Sol o una hipotética fuente perfecta de calor radiante, se conoce como un «cuerpo negro«, que emite radiación calorífica. Incluso un átomo completamente aislado siente la temperatura de su entorno. Igual que el calor hincha el aire de un globo de aire caliente, la «radiación de un cuerpo negro» (BBR, en inglés blackbody radiation) expande el tamaño de las nubes de electrones dentro de un átomo, aunque en un grado mucho menor, una parte de cada cien billones, un tamaño que resulta un serio problema para la medición de precisión.

Este efecto entra en juego en el reloj atómico más preciso del mundo, construido recientemente por los investigadores del NIST. Este reloj de lógica cuántica, basado en los niveles de energía atómica del ion de aluminio, Al +, tiene una incertidumbre de 1 segundo por 3,7 mil millones años, que se traduce en una parte de 8,6 x 10^-18, debido a una serie de pequeños efectos que cambian la tasa de marcación real del reloj.

Para corregir el cambio BBR, el equipo utilizó la teoría cuántica de la estructura atómica, a fin de calcular el cambio BBR en los niveles de energía atómica de los iones de aluminio. Para ganar seguridad en su método, reprodujeron con éxito los niveles de energía de los iones de aluminio, y compararon sus resultados con el cambio de BBR predicho en un reloj de ion de estroncio, de reciente construcción en el Reino Unido. Su cálculo redujo la incertidumbre relativa dado que el ambiente de temperatura BBR en el ion de aluminio es de 4 x 10^-19, o más de 18 decimales, y un factor de 7 mejor que los cálculos previos BBR.

Los actuales relojes de iones de aluminio, tienen mayores fuentes de incertidumbre que los debido al efecto BBR, pero con la siguiente generación se espera reducir las grandes incertidumbres y beneficiarse sustancialmente de un mejor conocimiento del cambio BBR.