El denominado “Reloj Atómico”, es en realidad un tipo de reloj que funciona accionando un contador, para lo cual, utiliza una frecuencia de resonancia o vibración atómica.

Se trata del tipo de reloj más preciso creado por el hombre hasta el momento, y aunque su funcionamiento es bastante complejo, intentaremos explicártelo de la forma más sencilla posible.

Comparando con el reloj mecánico, éste basa su funcionamiento en un péndulo, el que mediante su oscilación mueve una serie de engranajes asociados. Mientras que el reloj atómico, funciona mediante la frecuencia de las variaciones energéticas en los átomos en el rango de las microondas.

Cómo funciona?

En sus comienzos, tomaban como base un elemento llamado “Máser”.  Así se denomina al Amplificador de Microondas por Emisión Estimulada de Radiación, (por su sigla derivada del idioma inglés: Microwave Amplification by Stimulated Emisión of Radiation).   El científico Albert Einstein ya en 1916 había realizado el enunciado de este fenómeno.  En esencia, consta de un sistema amplificador similar al del láser, que recibiendo señales muy débiles, las transforma operan- do en la franja de microondas del espectro electromagnético.

Este máser es “bombeado” por un transmisor de radio con una frecuencia cuya precisión es de una exactitud igual a 10^-9 segundos por día.

Cuando un emisor de radio, por medio de ondas radioeléctricas,  se acopla con la frecuencia en las variaciones (radiaciones) de un elemento atómico, los iones de este elemento pueden así absorber la radiación y emitir luz.  Entonces, una célula fotoeléctrica atrapa el instante exacto de dicha emisión, y mediante un aditamento electrónico (circuito), la conexión con un contador va  llevando un registro de las veces en que se ha emitido una onda en la frecuencia esperada. Estos datos son transferidos a una computadora, que realiza todas las operaciones de cálculo necesarias, y se encarga de enviar los pulsos  a los receptores apropiados. Son pues los receptores finales, los que permitirán representar visualmente la hora correcta.

Ahora que ya tuvimos un adelanto del funcionamiento, podríamos intentar profundizar un poco más en los detalles afinados del mecanismo.

Cada reloj atómico posee un compartimiento en el cual un isótopo Cesio-133 (que por el momento es el elemento más utilizado), es calentado para que libere sus átomos. Los mismos, al ser liberados poseen cargas eléctricas variables y son conducidos a través de un tubo de vacío que posee interiormente un campo magnético que además oficia de filtro, permitiendo el paso sólo de aquellos átomos con el estado energético adecuado.         

Así son seleccionados los de baja energía, que se conducen a continuación a través de un campo de microondas concentrado.  Este campo es generado por un transmisor, que a su vez, es controlado por un oscilador de cristal de cuarzo que está preparado para vibrar en una frecuencia de 9.192.631.770 ciclos o Hertz por segundo.

La frecuencia producida por el campo de microondas no siempre es constante y exacta, oscilando con respecto a la vibración requerida, pero esta variación es siempre mínima, y  en alguna parte de cada ciclo, se logra siempre arribar a la frecuencia correcta.

Como un átomo cambia a otro estado de alta energía sólo si atraviesa un campo de microondas en el momento en que se llega a la frecuencia correcta, aquellos que cambiaron su estado energético, son detectados y simultáneamente controlados, por un mecanismo dispuesto sobre el final del tubo de vacío. Este es el instante en que otro campo magnético pone en orden y filtra los átomos, estableciendo un reconocimiento de aquellos que han alcanzado el estado energético correcto. Si en el momento de contar estos átomos seleccionados, dicho conteo no superara el nivel de umbral estipulado, la conclusión sería que el oscilador de cristal no estaría funcionando en forma normal y correcta, por lo que debería ser ajustado para que la transmisión sea realizada con la correcta frecuencia.

En otro dispositivo, se produce la conversión de la frecuencia de oscilación a pulsos exactos de un segundo cada uno.

Te brindaremos ahora algunas definiciones relacionadas con los relojes atómicos.

Se llama Tiempo Atómico Internacional (TAI), a la escala de tiempo en los relojes atómicos. Esta escala se mantiene en una forma estable y continua. También se utilizan otras convenciones, como por ejemplo, Tiempo Universal Coordinado (UTC), que es una escala a partir del TAI y usa “segundos de intercalación” con el llamado Tiempo Universal (UT1).

El Tiempo Universal está basado en observaciones astronómicas que toman en consideración el paso de las noches y los días. Asimismo, existen agencias u oficinas internacionales que se encargan de mantener las normativas y controles necesarios para un correcto ajuste.

Repasando un poco la historia de estos relojes, te contamos que el primer reloj atómico fue construido en 1948 por la NIST (Oficina Nacional de Normalización de los Estados Unidos). Para ello, se utilizó las frecuencias producidas por el elemento Amoníaco.

Recién en el año 1955 se construye (Inglaterra), el primer reloj atómico basado en el elemento Cesio, por parte del NLP (Laboratorio Nacional de Física).         Se considera que las propiedades físicas de las emisiones del Cesio, aportaron una superior confiabilidad en la precisión de los mecanismos utilizados para la determinación del tiempo, que los que proporcionaban los del amoníaco.                                                                         

Es a partir de 1967 que la Oficina Internacional de Pesas y Medidas selecciona los dispositivos utilizados por la NLP como norma para establecer la unidad de tiempo físico.

De tal forma, la precisión a que se llega con este nuevo reloj atómico establece que podría ocurrir un error de un segundo recién en unos 30.000 años.  Esto es debido a que se considera que desde un estado de reposo del isótopo de cesio –133, hasta los 9.192.631.770 ciclos de la radiación asociada al mismo, transcurre un segundo de tiempo.

En resumen, el reloj atómico debe su exactitud a un conteo que determina que ha transcurrido un segundo cuando hubo 9.192.631.770 oscilaciones del campo eléctrico.

Se encuentra en fase de diseño y desarrollo en el Observatorio de París, el que sería el reloj más preciso de nuestro mundo, ya que para necesitar el ajuste de un segundo, deberán pasar 52.000.000 de años.

A pesar de ello, en la actualidad se continúa investigando para aumentar el plazo del posible error de cálculo hasta 32.000 millones de años. 

También como parte del estudio, se consideran otros elementos como: Rubidio, Hidrógeno y Mercurio.

Asimismo, se tiene en cuenta la miniaturización de todos los mecanismos involucrados, al punto de que en el 2004 se hizo la presentación de un reloj atómico de ínfimo consumo y con el tamaño de un circuito integrado.

En cuanto al uso de los relojes atómicos es muy variado. Y entre otros, se pueden contar los siguientes:

• Sistemas GPS de Posicionamiento Global.
• Obviamente: Medición exacta del tiempo.
• Ajuste de mecanismos de lanzamiento de misiles.
• Calibración fina de equipos.
• Redes de Telefonía.