EL LÁSER MÁS ESTABLE JAMÁS CONSTRUIDO

Los mejores relojes atómicos cuentan las vibraciones de la luz que absorben los átomos. Para ello necesitan un láser cuya frecuencia apenas se mueva, de modo que pueda sondear transiciones atómicas extremadamente estrechas. Los láseres más estables de hoy están anclados a una cavidad de silicio criogénica: dos espejos separados por una barra de silicio monocristalino, enfriada muy por debajo de la temperatura ambiente. La luz que rebota entre los espejos solo resuena a frecuencias muy precisas, y el láser se ve obligado a seguirlas.

Estas cavidades ya alcanzan una estabilidad relativa del orden de 10⁻¹⁷: la frecuencia varía en torno a una cienmillonésima de milmillonésima de su valor. En muchos experimentos, el láser sigue siendo una de las principales fuentes de ruido, así que uno más estable mejora la medición de inmediato.

Espejos que se agitan

Lo que limita las mejores cavidades de silicio es el ruido térmico browniano de los recubrimientos de los espejos: las finas capas reflectantes nunca están perfectamente quietas, porque el calor hace que sus átomos se agiten. Ese minúsculo movimiento cambia la longitud de la cavidad y, con ella, el color de la luz.

Ben Lewis, Jun Ye y sus colegas de JILA (NIST y la Universidad de Colorado en Boulder), con físicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Braunschweig (Alemania), introdujeron dos cambios en las anteriores cavidades de silicio de 21 centímetros:

• Más frío. Los sistemas anteriores funcionaban a 124 K, una de las temperaturas a las que el silicio deja de dilatarse o contraerse con el calor. La nueva cavidad, llamada Si7, funciona o bien a 16 K, la otra temperatura de este tipo, o bien a 6 K, lo más frío que puede alcanzar su criostato.
• Un haz más ancho. Al usar un espejo menos curvado (radio de curvatura de 10,2 metros en lugar de 1 metro), la mancha de luz sobre los espejos pasa de 480 a 850 micrómetros de radio; ensanchar el haz es una de las formas conocidas de reducir el ruido térmico.

En conjunto, reducen el ruido térmico entre tres y cinco veces respecto a los sistemas anteriores.

Combatir las vibraciones en el frío

Ambos cambios suelen hacer que una cavidad sea más sensible a las vibraciones, y llegar a 6 o 16 K exige un criorrefrigerador de helio, una máquina que vibra. El equipo colocó el criorrefrigerador en el suelo, junto a la mesa óptica, y llevó el helio frío por tuberías hasta el experimento. La cavidad, sujeta por su parte central mediante tres esferas de rubí de 6 milímetros de diámetro, descansa sobre una mesa de aislamiento activo de vibraciones.

El frío trae otro problema: cerca del cero absoluto, los materiales almacenan muy poco calor, así que es difícil amortiguar los vaivenes de temperatura. La solución fue el erbio, que a 16 K almacena por unidad de volumen 6 veces más calor que el acero inoxidable y 13 veces más que el cobre. Capas de blindajes y masas de erbio ralentizan cualquier cambio de temperatura hasta una escala de tiempo de unos cuatro días. El sensor de control se mantiene a 16,183 K, y un sensor independiente se mantiene a menos de 100 millonésimas de grado de su objetivo.

El récord

Comparado con otras dos cavidades de silicio y un reloj atómico de estroncio, el láser alcanza:

• a 6 K, una estabilidad relativa de 7 × 10⁻¹⁸ entre 2 y 50 segundos de promediado —un nuevo récord: fluctuaciones de apenas unas 1,4 milésimas de hercio— y una anchura de línea (la dispersión de la propia frecuencia del láser) de 2,5 milihercios, sobre una frecuencia luminosa de 194 terahercios;
• a 16 K, 9 × 10⁻¹⁸, con una anchura de línea de 2,9 mHz, pero un mejor comportamiento a lo largo de días.

El ruido disminuye cuando la cavidad se enfría más, lo que demuestra que el láser ha alcanzado el límite previsto: el ruido térmico de los recubrimientos, y no las vibraciones ni la electrónica.

En dos series de 14 y 7 días, el reloj de estroncio siguió la lenta deriva de la cavidad: menos de 4 microhercios por segundo, comparable a un máser de hidrógeno (el oscilador de referencia de los laboratorios de tiempo) y diez veces menos que las cavidades de silicio que funcionan a 124 K. La cavidad llegó a ese punto nueve meses después del enfriamiento; las cavidades de 124 K tardaron una década.

Mirar a los átomos durante segundos

El láser ya está en funcionamiento. Al hacer funcionar el reloj de red óptica de estroncio (átomos atrapados en una red de luz láser), permite sondear los átomos durante más de 10 segundos; y cuanto más largo es el sondeo, más estrecha es la línea de los átomos, así que con más precisión puede el reloj encontrar su centro. Al cabo de 12 segundos, la señal de interferencia (franjas de Ramsey) aún conserva el 75 % de su contraste, y un solo pulso de 12,4 segundos da una línea de apenas 64 milihercios de anchura. El estado excitado del estroncio-87 que usa el reloj vive unos 170 segundos: la próxima frontera para los tiempos de interrogación.

Hacia 10⁻¹⁸

El nuevo láser sustituirá a la referencia anterior de JILA y, según los autores, permitirá que todos los relojes ópticos de la red de Boulder alcancen una precisión dada hasta diez veces antes. Unos recubrimientos de espejo cristalinos podrían reducir el ruido térmico a unos 1,5 × 10⁻¹⁸ a 6 K; cavidades más frías y más largas o haces más anchos podrían llevarlo a 1 × 10⁻¹⁸ o menos. Queda un misterio: un ruido adicional más allá de 100 segundos cuyo origen ningún sensor del interior del criostato logra aún precisar.