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Centro Nacional de Metrología, CENAM, km 4.5 Carretera a los Cues, El Marques, Qro.,www.cenan.mx
Dr. J. Mauricio López [email protected]
Enséñanos de tal manera acontar nuestros días que
traigamos al corazónsabiduría
Salmos 90:12
Caravaggio (1571-1610)
San Agustín de Hipona
Yo sé qué es el tiempo, pero sialguien me pregunta qué es no selo que es.
Galileo Galilei: padre de la ciencia moderna
Isaac Newton: el tiempo es absoluto
Albert Einstein: el tiempo es relativo
David Wineland: Relojes atómicos ultra precisos
La batalla más grande que la cienciaha librado a través del siglo XVIII, hasido haber vencido a la naturaleza,tomándole el Sistema de Pesas yMedidas.
Napoleón Bonaparte
Un solo rey, una sola ley y una sola medida.
Ideales de la Revolución Francesa
Nada más grande ni más sublime hasalido de las manos del hombre que elSistema Métrico Decimal.
Henry Antoine de Lavoisier
Como todo sistema armónico ycoherente, el SI tiene sus propias reglascuya observancia es obligatoria a finde preservar el espíritu de unificaciónuniversal que tantas vicisitudes yesfuerzos ha costado a la humanidad,para tener un solo lenguaje quepermita el buen entendimiento entrelos hombres en materia de mediciones.
Hector O. Nava Jaimes
Como todo sistema armónico ycoherente, el SI tiene sus propias reglascuya observancia es obligatoria a finde preservar el espíritu de unificaciónuniversal que tantas vicisitudes yesfuerzos ha costado a la humanidad,para tener un solo lenguaje quepermita el buen entendimiento entrelos hombres en materia de mediciones.
Hector O. Nava Jaimes
Centro Nacional de Metrología (CENAM)
Laboratorio Nacional de Referencia14
CSF-1
UTC (CNM)
EAL
TIMEThe most measured physical quantity
THE TWO FACES OF TIME MEASUREMENT
The current SITime is the most accurate measurement
Scientific and fundamental research Technological and practicalapplications
Albert Einstein
Slaves of our past and of the time
¿Existe una eternidad pasada?
¿Qué estaba haciendo Diosantes de crear el Universo?
¿Existe una eternidad futura?
¿Dios es eterno?
¿Porqué el día tiene 24 horas?
El día tiene 24 horas por elcorazón humano
1.000,000,000,000,000,00± 0.000,000,000,000,000,11
Definición del Segundo (s) en el SI
Metrología: Estudia la medición de las magnitudesgarantizando su normalización mediante la trazabilidad.
El segundo está definido como la duración de 9,192,631,770 periodosde la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles
hiperfinos del estado base del átomo 133Cs [2, 3].
62s1/2
F = 3
F = 4
9.192631770 GHz
62p3/2
F’ = 5
F’ = 4
F’ = 3F’ = 2
251 MHz
201 MHz
151 MHzD2
852 nm
62s1/2
F = 3
F = 4
62p3/2
F’ = 5
F’ = 4
F’ = 3F’ = 2
251 MHz
201 MHz
151 MHzD2
852 nm
[1] Thomas P Heavner et al, Metrologia 51 (2014) 174.[2] Comptes Rendus de la 13e CGPM (1967/68), 1969, 103.
[3] Metrologia, 1968, 4(1), 43.
2014 – NIST (EEUU) [1] :
27
!!! 1 Segundo en 288 millones de años !!!
133Csfemto
28
Átomos fríos y estadosexcitados metaestables
FrecuenciasNominales altas
Gran Cantidadde átomos
Tiempos de operaciónprolongados
Fra
ctio
nal U
ncer
tain
ty
Year
MicrowaveClocks
OpticalClocks
~ 30 Years
FrecuenciasÓpticas~ THz Cavidades
Ópticas ULE
Láseres de CavidadExtendida
(ECDL)
En busca del Reloj Perfecto
29
Los Mejores Relojes Atómicosen el Mundo
!!! 1 Segundo en 30000 millones de años !!!
!!! 1 Segundo en 288 millones de años !!!
Reloj de Microondas (133Cs)
Reloj Óptico(Sr)
Edad del Universo: 13798 millions of years !!!
Justificación
30
¿ Y paraqué tantaexactitud ?
TelecomunicacionesSincroníaAstronomía
Navegación (GPS)
Relatividad General
Economía (e-Business)
GPRSEDGE
GSM 2G3G
4G LTE5G
Cs-133 Atomic Clocks
The second is the duration of 9 192 631 770 periods of theradiation corresponding to the transition between the twohyperfine levels of the ground state of the Cesium 133atom.
Hiperfinestructure
Groundstate
What is an atomic clock
Disciplined oscillatorsThe basic concept of an atomic/optical clock
νν0
δ νAδ νL
νL
δ νL
νL
νL 0
Ny
1)(
0
Frequency Stability of an Atomic Clock
-15 -10 -5 0 5 10 15
tran
sitio
n pr
obab
ility
0
1
νo
∆ ν
)( y
Allan Deviation
Strategies to develop better atomic clocks
1N
00
Cold atoms and very long lifetime on excitedstatesOpticalFrequenciesLarge amount of atoms
Large averaging times / robustsystems
01
)(
1
00 0
N
y N
StabilityPerfecty :0)(
CampoMagnético Constante(Campo C)
Contenedor conCesio 133
Cavidad de Ramsey
Campo MagnéticoInhomogéneo
(Campo B)
Campo MagnéticoInhomogéneo
(Campo A)
FilamentoIncandescente
(Ionizador)
Detector
Generador deMicroondas
Lazo deamarre
Vacío
Ramsey Method
First atomic clocks(1957)
Commercial available Cs atomic clock using the magnetic selection ofN. Ramsey
Cs-133 Optical pumping
Coulomb Spin-Spin
9.192631770 GHz
F’=5F’=4F’=3F’=2
F’=4
F’=3
F’=4
F’=3
251MHz
200MHz
150MHz
1167MHz
+ Zeeman Effect
11 sublevels
9 sublevels
7 sublevels
5 sublevels
9 sublevels
7 sublevels
9 sublevels
7 sublevels
+
INTERACTION
ENER
GY
Spin-Orbit
62P3/2
62P1/2
62S1/2
100
GH
z
+
Ramsey method with opticalpumping (1985)
Cs Oven
Pumping Laser Detection Laser
Detector
Ramsey Cavity
MicrowaveOscillator
Phase lockloop
Optically pumped thermal Csbeam clock CENAM CsOp-2
9192630000 9192632000 9192634000
Inte
nsid
ad /
U.A
.
Frecuencia / Hz
180 Hz
RELOJES DE MATERIA ULTRA FRÍA
E2
E1
012 hEEE
Laboratory reference frame
F=0- F=0-0
v
R = F + k·v + … 0L= F - k·v + …<< 0
Atom´s reference frame
0
...22
12
20
2
00
Mc
h
c
vabs
vk
kpF2
dt
d
Doppler CoolingA two quantum states model
Doppler limit
2
BDopplerkT
Cesio-133K124
SodioK240h 6,610-34 Js
kB 1,310-23 J/K
LOS OBJETOS MÁS FRÍOS DEL UNIVERSO
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA
Cooling beams
Detection laser
Microwaves cavity Detector
Optical molases
Wayne M. Itano, Norman F.Ramsey, AccurateMeasurement of Time,Scientific American, July1993.
Cs Fountain Clock(1990)
1615 101101
Resolution of the peak-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Hz1
Wayne M. Itano, Norman F.Ramsey, AccurateMeasurement of Time,Scientific American, 1993.
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Clock transition
Acople Cavidad y Fibra Óptica
47
TEM00
Acople Cavidad y Fibra Óptica
48
• EOM : Electro Optical Modulator (MgO : LiNbO3)• OF : Optical Fiber
PBS
L
DetectorEOM
M
M
MicroscopyObjetive
OF
ULEOptical Cavity
49
Determinación FrecuenciaCavidad Óptica
251 MHz
~ 1.26 GHz
E
201 MHz
Arreglo Experimental Láser Ultra Estable
50
• AOM : Acousto-Optic Modulator• MOT : Magneto Optical Trap
• SLF : Servo Loop Filter• ECDL : Extended Cavity Diode Laser
Átomos Fríos (Efecto Doppler)
51
Dirección Aleatoria
“ From a certain temperature on , the molecules ‘condense’ withoutattractive forces, that is , they accumultae at zero velocity. The theory is pretty,
but is there some truth to it?” Albert Einstein (1924)
Debería ser dinámico
Átomos Fríos (Melazas Ópticas)
52
Átomos Fríos (Límite Doppler)
53
El límite de temperatura alcanzado, se da cuando hay un balance entreel efecto de enfriamiento de la fuerza de fricción y el efecto decalentamiento asociado con la absorción y emisión de fotones.
Enfriamiento Sub-Doppler
54
Phys. Today 43(10), 33 (1990); doi: 10.1063/1.881239Premio
Nobel deFísica1997
Enfriamiento Sub-Doppler
55
Efecto Stark AC
Trampas Magneto-Ópticas
56
z
x
y
σ-
σ+
σ-
σ- σ+
σ+
Campo MagnéticoCuadrupolar
Trampas Magneto-Ópticas
57
x
Energía
Átomos Ultra Fríos en el CENAM
58
z
x
y
σ-
σ+
σ-
σ- σ+
σ+
59
ECDL852 nm
CavidadÓptica
ULE
Láser Ultra Estable
ArregloÓptico
Enfriamiento
Lanzamientoy
Selección
Detección
TrampaMagneto-Óptica
(MOT)Cs-133
Fuente atómica del CENAM
To vacuumpump
Detector A
MOT
Ramseycavities
To vacuum pump
Magneticshields
Flighttube
Detector B
33.0
cm
22.0
cm
35.0
cmCENAM CsF-1
physical package
Fuente Atómica Peine de Frecuencias Reloj atómico debombeo óptico
Osciladoresde Zafiro
Escalas de tiempo, UTC, SIM-Time y Hora Oficial
IFUG, CFE-LAPEM, …
Secretaria deEconomía
Hora Oficial vía páginaweb del CENAMServidor cronos
PGRSATFEAIFE
20 millonesde peticiones
atendidaspor día
1000peticionesatendidaspor día
10 000Consultas por día
Medios decomunicación
Empresas diversas Público en general
CECOBAN
EDICOM
Adv. Sec.
ComparacionesInternacionales
Diseminación de la Hora Oficial al público en general Sellos de tiempo Sincronía para Redes de com. Sincronía para TV
ServicioTelefónico
Relojes ópticos y Peines de Frecuencia
Frequency combs
La “competencia” internacional para desarrollar el mejorreloj
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA
Current CENAM´s Optical/Microwaves Frequenciesprojects
ULE
×2
To CsF-1 MOT
DDS
Laser UnderTest
9.192 GHz
Ultra Stable Laser2
CsF-1
1 pps
Time Scaleslaboratory
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA
1S0 6s2
1P1
3D3
3D23D1
3P2
3P13P0λ = 398.9 nm
τ = 5.5 nsγ = 28.93 MHz λ = 555.8 nm
τ = 850 nsγ = 187.24 kHz
λ = 578.4 nmτ = 21 s (171Yb)
24 s (173Yb)γ = 7.6 mHz(171Yb)
6.6 mHz(173Yb)
6s6p
6s6p
6s5d
1 segundo en la edad del universo
171Yb Lattice Clock
Dr. Eduardo de Carlos López
Dr. Sergio López López
Ing. Francisco Jiménez Tapia
Ing. Nélida DiazMuñoz
Newton Apple Tree
Centro Nacional de Metrología, CENAM, km 4.5 Carretera a los Cues, El Marques, Qro.,www.cenan.mx
Dr. J. Mauricio López [email protected]