Los relojes ópticos toman el control del tiempo exprés
El cronómetro más preciso del mundo todavía funciona mirando de reojo a un viejo péndulo. Los máseres de hidrógeno —los mejores «volantes de inercia» de radiofrecuencia (dispositivos que mantienen el ritmo entre las comparaciones con el patrón)— acumulan error porque el ruido entre cuentas se filtra en la señal final. Los físicos llaman a esto efecto Dick, y pone un límite a la precisión de cualquier escala de tiempo construida sobre radiofrecuencias.
Los autores sustituyeron el volante de radiofrecuencia por uno óptico. En su instalación hay tres «guardianes del ritmo» independientes: dos pares de espejos de silicio criogénico que forman un resonador ultraestable, y un reloj de yodo cuya frecuencia está anclada a una transición molecular. Cada uno se ajusta con el reloj óptico de átomos de estroncio —el patrón principal, cuya precisión supera el dígito 18 después de la coma decimal. Este conjunto funciona de forma continua durante más de 20 días, y en ese tiempo las tres escalas ópticas paralelas divergen menos de 100 picosegundos —el tiempo que tarda la luz en recorrer solo 3 centímetros.
Cuando el patrón óptico no está disponible temporalmente —por ejemplo, durante el ajuste o por una avería— cada volante sigue funcionando por su cuenta. En seis horas de interrupción típica, se acumulan unos 20 picosegundos de desviación. Esto es cientos de veces menos de lo que daría un máser de hidrógeno en la misma situación. El círculo se cierra: el efecto Dick, que antes dictaba los límites de precisión, ahora está suprimido hasta tal punto que la escala de tiempo vive por primera vez según leyes puramente ópticas.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2608.00910v1
Optical frequency standards have progressed rapidly over the past two decades, leading to the anticipated redefinition of the SI second by an optical frequency. However, time scales have not yet significantly improved despite this development because they are still fully reliant on rf flywheel oscillators, mostly hydrogen masers, which impose a performance limit related to incompletely sampled noise known as the Dick effect. To best benefit from the exceptional stability and accuracy of optical frequency standards, time scales must employ optical flywheels with orders-of-magnitude better short-term (<$$10^4$$ s) stability than masers. Here, we introduce three optical flywheel oscillators (two cryogenic silicon cavities and one iodine optical clock) with superior short-term stability than hydrogen masers and long-term stability on par with masers. Steering each optical flywheel with a high-uptime Sr optical frequency standard generates three parallel all-optical time scales with continuous operation over >20 days. When compared with each other, these all-optical time scales achieve <$$10^{-16}$$ relative instability after just a few days of averaging. During typical steering gaps of ~6 hours, the accumulated time difference is ~20 ps, leading to the total time difference of <100 ps over the full measurement period. With the proliferation of long-distance optical fiber links and commercialization of optical flywheels and frequency standards, we anticipate all-optical time scales to be the future of timekeeping.
Los resonadores de silicio de este trabajo están enfriados a temperaturas criogénicas, donde las vibraciones térmicas de los átomos casi se detienen. A temperatura ambiente, el mismo cristal «respira» cientos de veces más fuerte, emborronando la precisión de la cuenta.