Muchas de las aplicaciones actuales de comunicaciones, navegación, transacciones financieras, nube distribuida y defensa dependen de la precisión de los relojes atómicos, o sea, de los relojes que registran la hora en función de la oscilación de los átomos con el mayor grado de precisión. Aprovechar la potencia de los átomos para obtener una sincronización precisa, requiere una gran cantidad de tecnologías sofisticadas y voluminosas que son costosas de desarrollar y consumir grandes cantidades de energía. Las nuevas aplicaciones y tecnologías como las redes 5G y las alternativas GPS requerirán un cronometraje preciso en plataformas portátiles, lo que impulsará la demanda de relojes atómicos miniaturizados con un alto grado de rendimiento.
Durante las últimas décadas, DARPA ha invertido fuertemente en el avance y la miniaturización de la tecnología de los relojes atómicos, generando relojes a escala de chip (CSAC) que ahora están disponibles comercialmente y ofrecen una estabilidad de tiempo sin precedentes para su tamaño, peso y potencia (SWaP). Sin embargo, el rendimiento de estos CSAC de primera generación está fundamentalmente limitado debido a la física asociada a sus diseños. Los requisitos de calibración y la deriva de frecuencia pueden generar errores de sincronización, lo que dificulta la obtención de los más altos grados de precisión y fiabilidad en un paquete portátil. El programa de Atomic Clock with Enhanced Stability (ACES) de DARPA está explorando el desarrollo de la próxima generación de CSACs alimentados por baterías con una mejora de 1000 veces en los parámetros clave de rendimiento en comparación con las opciones existentes.
«La reducción de los relojes atómicos de los grandes tubos de rayos de cesio a dispositivos a escala de chip sin erosionar el rendimiento requiere un replanteamiento de una serie de componentes críticos, incluidas las bombas de vacío y los aisladores ópticos, así como nuevos enfoques para la integración de componentes», dijo el Dr. John Burke, director de programa que dirige ACES en la Oficina de Tecnología de Microsistemas de DARPA (MTO, por sus siglas en inglés). «Las métricas objetivo que hemos esbozado para el programa ACES son elevadas, pero según entramos en la tercera fase del programa, los investigadores ya están demostrando éxitos de ingeniería, incluyendo SWaP reducido, tecnologías de relojes atómicos probadas en laboratorio, así como prototipos tempranos de futuras arquitecturas de relojes».
A través de la exploración de arquitecturas físicas alternativas y tecnologías de componentes novedosas, tres grupos de investigadores han demostrado un progreso temprano hacia la creación de CSACs con una mejora de 1000 veces en el control de la temperatura, el envejecimiento y el retrazado.
Un artículo publicado recientemente en Optica destaca los recientes avances realizados por un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), con el apoyo de investigadores del Instituto de Tecnología de California, la Universidad de Stanford y los Laboratorios Charles Stark Draper. El equipo ha demostrado un reloj atómico óptico experimental, que consta de sólo tres pequeños chips y componentes electrónicos y ópticos de apoyo. A diferencia de los relojes atómicos estándar que funcionan a frecuencias de microondas y siguen las vibraciones de los átomos de cesio, los relojes atómicos ópticos funcionan a frecuencias más altas, ofreciendo mayor precisión porque dividen el tiempo en unidades más pequeñas. El reloj del equipo del NIST utiliza un láser para rastrear las oscilaciones de los átomos de rubidio confinados en una celda de vapor – o pequeño contenedor de vidrio – que tiene 3 milímetros de diámetro y se encuentra en la parte superior de un chip de silicio. Dentro del «corazón» del reloj basado en chips, dos peines de frecuencia actúan como engranajes para convertir los «tics» ópticos de alta frecuencia de los átomos de rubidio en la frecuencia de microondas más baja, que es utilizada por la mayoría de las aplicaciones de PNT para rastrear el tiempo. Además de proporcionar un mayor grado de precisión (aproximadamente 50 veces mejor que los actuales CSAC basados en el cesio), el reloj experimental utiliza muy poca energía: sólo 275 milivatios.
Además de demostrar con éxito un reloj óptico a escala de chip, el equipo del NIST pudo microfabricar todos los componentes clave, de la misma manera que se fabrican los chips de ordenador. Esto permite una mayor integración de la electrónica y la óptica, a la vez que crea un camino potencial hacia la producción en masa y la comercialización.
Un segundo equipo de investigadores de Honeywell, en colaboración con la Universidad de California en Santa Bárbara, está desarrollando sensores atómicos de precisión para apoyar el desarrollo de un reloj atómico en miniatura.
Hasta la fecha, la miniaturización de los sensores de átomos atrapados se ha visto obstaculizada por elementos ópticos a granel -como lentes y espejos- que tradicionalmente componen el sistema óptico necesario. Los sensores atómicos de precisión que ha desarrollado el equipo de Honeywell se basan en una trampa magneto-óptica (MOT), que requiere una disposición tridimensional de rayos láser procedentes de diferentes direcciones, que se cruzan con precisión en un punto. Para lograr esta configuración precisa sin el uso de lentes o espejos, los investigadores desarrollaron un chip fotónico integrado que guía la luz alrededor de un «circuito óptico», que es análogo a la guía de señales eléctricas en los chips de ordenador tradicionales. El chip fotónico emite tres grandes haces de luz colimados en el arreglo tridimensional apropiado para hacer una ITV. Al combinar estos haces láser que se cruzan con un conjunto especializado de bobinas de campo magnético compactas, Honeywell utilizó esta fuente de luz para atrapar átomos de rubidio y realizar un avanzado reloj atómico en miniatura.
La tecnología de chip fotónico integrado de Honeywell no sólo reduce el tamaño, el peso y la potencia de los sistemas de entrega láser, sino que también permite la fabricación por lotes de sistemas ópticos complejos con un coste de fabricación reducido.
Finalmente, un equipo del Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, con el apoyo de investigadores de SRI International; la Universidad de California, Davis; y la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, ha demostrado un reloj atómico experimental capaz de cumplir con las métricas objetivo de ACES, a la vez que ha demostrado ser inmune a la temperatura y a los problemas ambientales. A partir de la investigación que creó el Reloj Atómico del Espacio Profundo (DSAC), el equipo desarrolló un enfoque basado en iones para el enfriamiento del átomo que se basa en el mercurio ionizado y las lámparas ultravioletas en lugar de los láseres. El reloj atómico JPL mostró una inmunidad de menos de 1 parte en 14 decimales por cambio de 1 grado Celsius. Para poner esto en perspectiva, es aproximadamente 100 veces mejor que los actuales CSAC. El uso de iones de mercurio también proporciona mayor estabilidad y hace que la tecnología sea menos sensible a los campos magnéticos y a los cambios de temperatura.
Como lo demuestran las investigaciones del NIST y Honeywell, el progreso en el programa ACES está generando nuevos medios para fabricar tecnologías de relojes atómicos a escala de oblea, lo que hace que la exploración continua sea más rentable y menos dependiente de esfuerzos masivos de ingeniería. «Hoy en día, estamos tratando con sistemas ópticos complicados que requieren cantidades masivas de ingeniería cuando se desea iterar en un diseño. Los primeros progresos realizados en ACES muestran que existen opciones viables en el desarrollo para hacer lo mismo sin la enorme mano de obra de ingeniería o los elevados costos asociados con los enfoques actuales», señaló Burke.
Fte. DARPA
