Los relojes ópticos son dispositivos de medida del tiempo de altísima precisión que se basan en el seguimiento de las oscilaciones de la luz, a diferencia de los relojes atómicos convencionales que utilizan microondas. La exactitud de estos relojes depende fundamentalmente de la capacidad para identificar transiciones atómicas muy estrechas, que representan cambios en el estado energético de los electrones en un ion o átomo.
Un grupo de investigadores de la Universidad de Delaware, el Instituto Federal de Metrología de Alemania (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) y el Instituto Max Planck de Física Nuclear ha presentado avances significativos hacia el desarrollo de relojes ópticos de alta precisión basados en iones altamente cargados. En un artículo publicado en Physical Review Letters, los autores introducen cálculos teóricos y un enfoque computacional que podría allanar el camino para la creación de un reloj óptico ultra-estable basado en Ni12+, un ion de níquel que ha perdido 12 electrones.
Avances en la espectroscopia de iones cargados
Los coautores del estudio, Malte Wehrheim y Piet O. Schmidt, comentaron que el objetivo de su experimento era realizar espectroscopía de alta precisión en iones altamente cargados. «Decidimos trabajar con Ni12+ porque presenta una transición muy fuertemente prohibida, ideal para su funcionamiento como un reloj óptico. Sin embargo, dado que la transición es tan fuertemente prohibida, las primeras estimaciones indicaban un tiempo de búsqueda de un año para escanear el rango de incertidumbre utilizando una técnica de búsqueda simple», explicaron.
El estudio se basa en el trabajo previo de físicos teóricos que realizaron cálculos más precisos de los cambios energéticos asociados a una transición estrecha entre dos estados cuánticos de los electrones en Ni12+. Estos cálculos sirvieron de punto de partida para los esfuerzos experimentales del equipo.
Utilizando un láser de Ti:Sa (Titanio:Zafiro), los investigadores pudieron optimizar su experimento. Este tipo de láser genera luz en un rango de frecuencias muy amplio, a diferencia de otros láseres que producen luz con una longitud de onda fija. «Pudimos excluir partes más grandes del ‘pajar’ al escanear un amplio rango de frecuencias antes de detectar una excitación en la transición del reloj», dijo Wehrheim. Este enfoque permitió identificar la posición de la transición en un tiempo récord, a pesar de la gran complejidad del proceso.
El éxito de su método radica en la identificación de una resonancia atómica muy estrecha en Ni12+, lo que resalta el potencial de este ion para el desarrollo futuro de relojes atómicos. «Pronto planeamos realizar espectroscopía de alta precisión y construir un reloj atómico basado en Ni12+. La esperanza es que este reloj pueda superar a otros, ya que las propiedades electrónicas extremas del ion altamente cargado lo hacen insensible a perturbaciones externas», comentaron los autores.
Este trabajo podría tener implicaciones importantes tanto para el desarrollo de relojes ópticos como para el estudio de sistemas atómicos complejos. Las técnicas empleadas podrían ser aplicadas para localizar con precisión las energías de transición de otros iones altamente cargados en un periodo de tiempo corto. «Nuestros colaboradores teóricos muestran un camino hacia el cálculo de energías de transición con una precisión sin precedentes para sistemas de múltiples electrones», concluyó Schmidt.
El avance en la metrología basado en iones altamente cargados podría permitir la validación de teorías fundamentales de la física y contribuir a la detección de nuevos fenómenos. Uno de los principales objetivos de futuras investigaciones será utilizar este sistema para buscar materia oscura, que se predice tendrá un acoplamiento más fuerte a ciertas transiciones en iones altamente cargados en comparación con especies previamente investigadas.
En definitiva, el Ni12+ se presenta como un excelente banco de pruebas para los futuros experimentos y un contribuyente clave a la mejora de los relojes ópticos.
