¿Qué es un reloj atómico?

Se denomina reloj atómico a un reloj cuyo funcionamiento se basa en la frecuencia de una vibración atómica.

Un reloj atómico es un tipo de reloj que utiliza una frecuencia de resonancia atómica normal para alimentar su contador. Los primeros relojes atómicos tomaban su referencia de un Máser. Las mejores referencias atómicas de frecuencia (o relojes) modernas se basan en físicas más avanzadas que involucran átomos fríos y las fuentes atómicas. Las agencias de las normas nacionales mantienen una exactitud de 10-9 segundos por día, y una precisión igual a la frecuencia del transmisor de la radio que bombea el máser. Los relojes atómicos mantienen una escala de tiempo continua y estable, el Tiempo Atómico Internacional (TAI). Para el uso cotidiano, se disemina otra escala de tiempo, el Tiempo Universal Coordinado (UTC). El UTC se deriva del TAI, pero se sincroniza usando segundos de intercalación con el Tiempo Universal (UT1), el cual se basa en el paso del día y la noche según las observaciones astronómicas.

Historia del reloj atómico

En 1967 se tomó como referencia para la definición del segundo, las vibraciones del átomo de cesio, una magnitud absoluta, en contraposición a la usada con anterioridad. Concretamente esta definición dice que un segundo es 9.192.631.770 veces el periodo de la radiación correspondiente al salto entre los dos niveles de la estructura hiperfina del estado fundamental de los átomos del nucleido Cesio 133.

Pero aún se ha ido más lejos en la búsqueda del tiempo más preciso con nuevos refinamientos electrónicos y aprovechando las posibilidades que permite la física. Así en 1969 se logró un reloj con un grado de error de tan sólo un segundo cada 1,7 millones de años, utilizando las vibraciones del átomo amoníaco.

La difusión de estos avanzados relojes ha tenido una gran influencia en la vida cotidiana ya, que tras diversos acuerdos internaciones, existe un trasvase de datos desde relojes atómicos de todo el mundo. De esta forma se regulan desde la hora que emiten las emisoras de radio y televisión de todo el mundo, hasta la frecuencia de la energía eléctrica, o se regula la navegación aérea, el control de los satélites, etc.

¿Cómo funciona un reloj atómico?

Un reloj atómico común consta de una cavidad en la que el elemento central (normalmente el isótopo cesio 133) se calienta para liberar sus átomos. Los átomos liberados poseen cargas eléctricas variables. Estos átomos pasan a través de un tubo de vacío en cuyo interior existe un campo magnético que los filtra dejando pasar solo a los átomos con el estado energético correcto.

Los átomos seleccionados (de baja energía) pasan más tarde a través de un campo de microondas concentrado, producido por un transmisor que es controlado por un oscilador de cristal de cuarzo configurado para vibrar a 9.192.631.770 Hertz (o ciclos) por segundo. La frecuencia del campo de microondas no es siempre exacta y oscila con respecto a la vibración requerida, pero esta variación es siempre mínima y en algún punto de cada ciclo se consigue siempre alcanzar la frecuencia correcta.

Un átomo cambia a un estado de alta energía solo si pasa a través del campo de microondas en el momento en que se alcanza la frecuencia correcta. Estos átomos, que han variado su estado energético, son más tarde detectados y controlados por un dispositivo que se encuentra al final del tubo de vacío.

En ese momento, otro campo magnético ordena y filtra los átomos para identificar a los que tienen el estado energético correcto. Si el conteo de estos átomos no alcanza el nivel de un umbral establecido, eso significa que el oscilador de cristal no está funcionando correctamente por lo que se le ajusta para que transmita a la frecuencia correcta. En un dispositivo aparte, se convierte luego la frecuencia de oscilación a pulsos de exactamente un segundo cada uno.