La Unidad de Tiempo, el SI y la Metrología Eléctrica

Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2005
La Unidad de Tiempo, el SI
y la Metrología Eléctrica
Mauricio López R.
División de Tiempo y Frecuencia
CENAM
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Contenido
0. Introducción
1. La unidad de tiempo
2. El SI y el segundo
3. Peines de frecuencia
Ícono del Fuego Nuevo
Culturas prehispánicas en Mesoamérica
4. Relojes ópticos
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Metrología Eléctrica
0. Introducción
Los antecedentes
Metrología Eléctrica
Albert Einstein
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Conmemorando el primer centenario de los
artículos de Albert Einstein de 1905
Niels Bohr
Erwin Schrödinger
Max Born
Albert Einstein
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Metrología Eléctrica
∂ψ
h 2 ∂ 2ψ
ih
=−
+ V ( x)ψ ( x, t )
2
∂t
2m ∂x
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Mecánica Cuántica
h2
∂
2
ih
Ψ = −
∇ Ψ + VΨ
∂t
2m
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Metrología Eléctrica
Interacción Radiación-Materia
Principio físico de operación de relojes atómicos
Electromagnetismo/
Óptica
Física Atómica
h2
∂
2
ih
Ψ = −
∇ Ψ + VΨ
∂t
2m
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Metrología Eléctrica
El principio para usar transiciones atómicas como referencias para
construir patrones de frecuencia fue propuesto por primera vez por I.
Isaac Rabi de la Universidad de Columbia en los años 1930s
The Nobel Prize
in Physics 1944
I. Isaac Rabi
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La invención del método de los campos oscilantes separados y su
aplicación en los relojes atómicos fue hecha por Norman Ramsey
The Nobel Prize
in Physics 1989
Norman F. Ramsey
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NBS-1, 1952
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Metrología Eléctrica
Louis Essen
Caesium I, 1955 (NPL)
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NBS-2, 1960
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Metrología Eléctrica
Atomichron (Atomic-Cesium) Clock, 1960
National Company, Inc
Malden, Massachusetts
USD 20,000
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Metrología Eléctrica
1. La unidad de tiempo
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Metrología Eléctrica
La realización de la unidad de tiempo muestra, en términos generales, una mejora en el
nivel de incertidumbre de un orden de magnitud por década. El gráfico muestra la
evolución del nivel de exactitud de los patrones primarios de frecuencia desarrollados
por el National Institute of Stanadards and Technology (NIST).
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Un segundo es la duración de 9 192 631 770
períodos de la radiación asociada a la transición
hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133
13a Conferencia General de Pesas y Medidas
Octubre de 1967
3/2
1/2
≈894nm
≈850nm
150MHz
9 subniveles
1167MHz
7 subniveles
F’=4
1/2
F’=3
Eléctrica
200MHz
F’=4
F’=3
62S
251MHz
11 subniveles
9 subniveles
7 subniveles
5 subniveles
+ Espín-órbita +
9 subniveles
9192631770 Hz
Electrón Núcleo
INTERACCION
7 subniveles
+
Efecto Zeeman
No a escala
62P
F’=5
F’=4
F’=3
F’=2
≈100GHz
62P
ENERGIA
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Primeros niveles de energía del átomo de Cesio-133
h νHFS
Metrología Eléctrica
Energía / Joules
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0
1
Inducción
magnética /
Teslas
hν HFS
µ B2 ( g I + g J )2 2
1
4 mF µ B ( g I + g J )
B0 +
B0
δE = −
− g I µ B mF B0 ± hν HFS 1 +
2 2
I
h
2
2
1
ν
h
ν
+
2(2 I + 1)
HFS
HFS
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Relojes atómicos de
selección magnética
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CsV, NRC
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Relojes atómicos de selección magnética del PTB
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Relojes atómicos de
bombeo óptico
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El descubrimiento y desarrollo de métodos ópticos
para el estudio de resonancias de radio en átomos
fue llevado a cavo por Alfred Kastler
The Nobel Prize
in Physics 1966
Alfred Kastler
France
École Normale Supérieure, Université de Paris
Paris, France
b.1902
d.1984
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CsOp-1, CENAM
Espectro de Ramsey del CsOp-1
180 kHz
Metrología Eléctrica
Probabilidad de Transición
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Frecuencia que define a la
unidad de tiempo del SI
FranjaMetrología
de Ramsey
del CsOp-1
Eléctrica
(línea central del espectro de Ramsey)
Probabilidad de Transición
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1 kHz
Frecuencia que define a la
unidad de tiempo del SI
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NIST-7, NIST
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Relojes de átomos
fríos de Cs-133
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Metrología Eléctrica
Manipulación de átomos con luz
Steven Chu
Claude Cohen- William D.
Tannoudji
Phillips
USA
France
USA
Stanford University
Stanford, CA, USA
Collège de France; École
Normale Supérieure
Paris, France
National Institute of
Standards and Technology
Gaithersburg, MD, USA
b.1948
b.1933
b.1948
The Nobel Prize
in Physics 1997
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Trampa Magneto-óptica
Fuerzas tipo fricción
y
IL
IL
IL
z
T ≈ 1µK
x
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Blindaje
magnético
Bobina de
campo C
Cavidad de
microondas
Láser de detección
Fotodetector
Cámara de
enfriamiento
Válvula de titanio
Depósito de Cesio
CsF-1, CENAM
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Trampa Magneto-Óptica del CsF-1, CENAM
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Sistema Óptico del CsF-1
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NIST-F1
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2. El SI y la Unidad de tiempo
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metro
candela
kilogramo
mol
segundo
Kelvin
Ampere
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c = λυ
Láser de HeNe estabilizado al Yodo para la realización de la unidad de
longitud. En la realización de la unidad de longitud se requiere la medición de
la frecuencia de radiación de los lásres estabilizados
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V = nf
h
2e
En la reproducción de la unidad de tensión eléctrica por medio del efecto
Josephson se requiere la medición de la frecuencia de radiación con la cual se
generan los pares de cooper en el dispositivo Josephson
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14000
2500
12000
2000
10000
1500
8000
ρxy (Ω )
ρxx (Ω )
6000
1000
h
RH =
ne 2
4000
500
2000
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
B (T)
La unidad de tiempo interviene de manera indirecta en el Efecto Hall Cuántico
por medio de la unidad de tensión eléctrica
12
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ν0 =
1
γB 0
2π
En las mediciones de densidad de flujo magnético, por medio de la técnica de
resonancia magnétca nuclear, la unidad de tiempo interviene a través de la
medición de la frecuencia de precesión del momento magnético nuclear alrededor
del campo magnético
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3. Peines de Frecuencia
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Peines de Frecuencia
Los peines de frecuencia permiten
calibrar frecuencias ópticas usando
como referencia los relojes
atómicos de Cesio-133
PLL 1
fr
fn=f0+nfr
×2
f2n=f0+2nfr
I(f)
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Peines
Peinesde
deFrecuencia
Frecuencia
Femtosecond laser +
microstructure fiber
f
PLL 2
fr
Optical Standard, fHg
fr =
f Hg
m
m = 106
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4. Relojes Ópticos
El desarrollo de los peines de frecuencia han abierto un panorama muy
interesante para el desarrollo de relojes ópticos, esto es, relojes cuya
transición de referencia se encuentre en la parte visible del espectro
electromagnético
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Relojes Ópticos
Trampa de iones de estroncio del NRC
Metrología Eléctrica
Límite cuántico de
estabilidad en frecuencia
Desviación de Allan σ(τ)
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σ (τ ) =
Tiempo de promediación / s
∆f
1
f0 N
τ
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Niveles de energía de iones de
mercurio
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Relojes Ópticos
Trampa de iones de estroncio del NRC
Elementos químicos usados en los relojes ópticos
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Mauricio López R.
C
A
GR
División de Tiempo y Frecuencia
CENAM
S
A
I