- El Dr. Hidetoshi Katori es profesor en la escuela de posgrado de ingeniería de la Universidad de Tokio
- Será reconocido su invento: un reloj de celosía óptica que solo pierde un segundo en 30 mil millones de años
Tokio, Japón. 04 de octubre de 2022.- La Fundación de Honda, establecida por Soichiro Honda y su hermano Benijiro, y que actualmente encabeza el presidente Hiroto Ishida, anunció que el “Premio Honda 2022” será otorgado al Dr. Hidetoshi Katori, profesor de la Escuela de Posgrado de Ingeniería de la Universidad de Tokio (Científico en Jefe y Líder de Equipo, RIKEN) por su invento:
- Un reloj de celosía óptica que es 1,000 veces más preciso que los convencionales relojes atómicos.
El Premio Honda internacional -establecido en 1980 y otorgado anualmente- reconoce el trabajo personal o grupal que genera nuevos conocimientos, que impulsan la próxima generación desde el punto de vista de la ecotecnología*1.
En el año 2001, el Dr. Katori inventó un novedoso reloj atómico óptico, que utiliza una gran cantidad de átomos atrapados en una red óptica, con el fin de proporcionar una frecuencia estándar y un tiempo de precisión sumamente elevado.
A diferencia de los relojes atómicos de Cesio*2, que marcan la hora atómica internacional con una precisión de aproximadamente 15 dígitos*3, se espera que los relojes atómicos ópticos permitan una precisión de 28 dígitos, empleando transiciones ópticas que cuentan con una frecuencia millones de veces más elevada que la frecuencia de microondas.
Se estima que, con esta precisión, tomaría alrededor de 30 mil millones de años para perder un único segundo.
Asimismo, esta precisión permite la geodesia relativista, capaz de medir una diferencia de altura de un centímetro en la Tierra, basada en el efecto relativista de que el tiempo fluye lentamente para un fuerte campo gravitatorio. Por ejemplo, la geodesia relativista se puede aplicar a la prevención de desastres, como detectar el ascenso del magma volcánico mediante relojes colocados en la montaña. Los relojes de alta precisión abrirán nuevas tecnologías de medición y campos de investigación.
El origen de la ecotecnología, en palabras de Soichiro Honda, se define como el “hacer felices a las personas con la tecnología”. Se espera que la mejora en la precisión de un segundo tenga un impacto inconmensurable en la humanidad. Es por ello, que el premio se otorgará al Dr. Katori por este innovador invento, el cual merece el más alto reconocimiento.
Investigación sobre el reloj de celosía óptica del Dr. Katori
La medición precisa del tiempo es cada vez mayor -año con año- en la sociedad moderna. Forma una infraestructura vital para todas las actividades sociales, incluido el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) con relojes atómicos a bordo, marcas de tiempo utilizadas en el comercio electrónico y mediciones de precisión empleadas en ciencia y tecnología.
En la actualidad, la definición de “un segundo” en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se basa en la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de Cesio 133.
El tiempo atómico internacional basado en los relojes atómicos de Cesio (con una frecuencia de microondas de aproximadamente 9.2 GHz), tiene una precisión de unos 15 dígitos. Sin embargo, el reloj atómico óptico, que utiliza transiciones ópticas con una frecuencia superior a la de microondas, tiene el potencial de crear relojes atómicos con mayor precisión.
Se ha considerado que el candidato más prometedor para un reloj atómico óptico es un reloj basado en un solo ion atrapado, en el que la frecuencia de transición de un solo ion, enfriado a temperatura ultrafría y atrapado entre electrodos, se mide repetidamente más de un millón de veces para lograr una precisión de 18 dígitos. Ya que cada medición toma un segundo, se requiere un millón de segundos -alrededor de 10 días- de tiempo promedio.
En lugar de promediar un millón de segundos, el Dr. Katori desarrolló un reloj de celosía óptica, que busca reducir drásticamente el tiempo promedio, midiendo varios átomos a la vez. Los átomos quedan atrapados en una red óptica creada por la onda estacionaria de luz*4, para reducir el efecto Doppler causado por el movimiento atómico.
El ruido cuántico se reduce promediando la señal que transmiten los diversos átomos atrapados. Es por esto que el Dr. Katori propuso y demostró que la red óptica no afecta la frecuencia propia de los átomos, al ajustar el láser a la longitud de onda mágica*5 para crear la red.
Estos relojes atómicos de alta precisión se han estudiado principalmente en el laboratorio, ya que están formados por muchos componentes y son sensibles a las condiciones ambientales. El equipo de investigación dirigido por el Dr. Katori realizó un experimento para comparar dos relojes de celosía óptica reducidos, uno instalado en la plataforma de observación y el otro en la planta baja del Tokyo SkyTree, una torre de transmisión en Tokio.
En abril de 2020, el equipo publicó un artículo en el que se informaba que el reloj de la plataforma avanzaba 4/1 000 000 000 de segundo por día más rápido que el reloj del suelo. Esto provocó una gran respuesta en todo el mundo, ya que el experimento verificó la teoría general de la relatividad de Einstein, con una precisión comparable a la de los experimentos espaciales que utilizan cohetes y satélites, a pesar de una diferencia de altura de solo 450 metros. Esta demostración fue el primer paso hacia la geodesia relativista, empleando relojes atómicos de alta precisión.
El Dr. Katori trabaja en la reducción del reloj de celosía óptica. Mientras que el reloj SkyTree tiene un volumen de 1,000 litros, una máquina más pequeña con un volumen de 1/5 está en desarrollo. Cuando sea posible el funcionamiento continuo y estable de dichos relojes reducidos, se puede realizar una red de relojes de celosía óptica instalándolos en varias ubicaciones. La red de reloj no solo proporcionará una referencia de tiempo con una precisión muy superior a la del GNSS, sino que también podrá detectar el espacio-tiempo curvado por la gravedad, lo que permitirá un seguimiento e investigación precisos del medio ambiente en la superficie terrestre, así como de los océanos, el clima y movimientos de la corteza. Por ejemplo, el seguimiento en tiempo real de los movimientos de la corteza se puede utilizar para estudiar los precursores de los terremotos.
- *1Ecotecnología: un neologismo que combina imágenes del mundo natural (ecología), incluida la civilización en su totalidad y la tecnología. Promovido por la Fundación Honda en 1979, busca nuevos conceptos tecnológicos requeridos por la sociedad humana para promover la coexistencia de las personas y la tecnología.
- *2Reloj atómico de Cesio: un reloj atómico que utiliza el átomo de Cesio 133. Los relojes atómicos se basan en la propiedad de los átomos para emitir y absorber ondas electromagnéticas con una determinada frecuencia. La duración para que las ondas electromagnéticas oscilen 9,192,631,770 veces, la cual es generada por la transición del Cesio, define un segundo y se utiliza para mantener el Tiempo Atómico Internacional, desde la 13ª Conferencia General de Pesos y Medidas en 1967. La precisión del reloj de Cesio corresponde a una pérdida de 1 segundo en 60 millones de años.
- *3Tiempo Atómico Internacional con precisión de aproximadamente 15 dígitos: lo suficientemente preciso para medir con una precisión fraccionaria con una parte en 1015.
- *4Onda estacionaria: ondas de frecuencia con una distribución de amplitud fija en el espacio.
- *5Longitud de onda mágica: la longitud de onda en la que se igualan las polarizabilidades de dos estados electrónicos utilizados para la transición del reloj. Debido a que la polarizabilidad del estado atómico depende del estado electrónico, el cambio de luz también difiere con el estado electrónico. Esto da como resultado un cambio en la frecuencia de resonancia de los átomos atrapados en la red óptica. Sin embargo, la red óptica creada con un láser sintonizado a la longitud de onda mágica iguala la polarizabilidad de los dos estados y no afecta la frecuencia resonante de los átomos atrapados
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