El equipo de Sandia Labs busca construir el reloj atómico más pequeño del mundo

Feb 15, 2024

Yuan-Yu Jau, investigador principal del Laboratorio Nacional Sandia, quiere construir el reloj atómico más pequeño del mundo.

Si lo logra, él y su equipo de los Laboratorios Nacionales Sandia fabricarán un reloj atómico más pequeño que un terrón de azúcar.

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa desafió el año pasado a los equipos de investigación a construir relojes más pequeños y precisos.

Jau lidera uno de los dos equipos de Sandia que intentan hacerlo.

"Quieren un centímetro cúbico para todo y actualmente no existe ningún reloj atómico de este tamaño", dijo Jau en un comunicado de prensa de Sandia.

El diseño central del reloj que Jau y su equipo están construyendo es de sólo 0,04 centímetros cúbicos, según el comunicado.

DARPA quiere que estos pequeños relojes tengan una precisión de una millonésima de segundo después de una semana.

Sandia lleva décadas fabricando relojes compactos. Ayudó a desarrollar un reloj de 17 centímetros cúbicos, conocido como Reloj Atómico de Escala de Chip, a principios de la década de 2000, aproximadamente del tamaño de una caja de cerillas. En aquella época era el reloj atómico más pequeño del mundo y sigue siendo el más pequeño disponible en el mercado minorista.

La Oficina Nacional de Estándares de Estados Unidos, ahora Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, inventó el primer reloj atómico en 1948.

Estos relojes miden el tiempo utilizando señales electromagnéticas emitidas por electrones alrededor de un átomo, "lo que lo hace increíblemente preciso", según el comunicado.

Los relojes atómicos han permitido que se produzcan más innovaciones, incluido el GPS.

DARPA quiere crear relojes pequeños y precisos para ayudar a los vehículos cuando el GPS no esté disponible.

"Esto funciona de la misma manera que se podría calcular la distancia conduciendo un automóvil en un largo tramo de carretera", dice el comunicado. “Si conduces a una velocidad constante de 60 millas por hora, sabrás que después de una hora has viajado 60 millas. Un reloj confiable es la mitad de la ecuación”.

Sandia y DARPA quieren que sus relojes sean 30 veces más precisos que los relojes de pequeña escala y de última generación actuales.

También quieren mejoras en el consumo de energía y la sensibilidad tanto a la temperatura como a la vibración.

"Esto es mucho más desafiante que lo que la gente ha hecho hasta ahora", dijo Jau en el comunicado.

Sandia dijo que reducir el tamaño, el peso y la potencia de los relojes atómicos facilita que los sistemas de navegación avanzados beneficien a los buques de guerra, los drones y los satélites.

Jau tiene confianza en que él y su equipo pueden construir el reloj ya que el plan tiene esencialmente 16 años, según el comunicado.

Como profesor de física en la Universidad de Princeton en 2007, Jau construyó un prototipo al que llamó oscilador atómico láser.

Cumplía la misma función que un reloj atómico pero tenía el tamaño de una caja de herramientas. Tenía un pulso parecido a un reloj que surgía al hacer brillar un láser a través de una nube de átomos de potasio.

Además, era autónomo. El oscilador no necesitaba equipo electrónico externo para controlar su pulso periódico.

"El hardware de soporte es común en muchos tipos de relojes atómicos y, por lo general, ocupa la mayor parte del espacio", dice el comunicado. "Si quitaras los componentes electrónicos de soporte de un CSAC del tamaño de una caja de cerillas, descubrirías que el tictac físico se produce en un paquete de aproximadamente el tamaño de un grano de arroz".

Jau construyó un prototipo más grande del reloj atómico porque hacerlo es más fácil.

“Ya sabes, con mis dedos de salchicha”, dijo en el comunicado.

Jau dijo que sustituirá el cesio por átomos de potasio y reducirá su diseño utilizando máquinas y herramientas en el complejo de Ingeniería, Ciencia y Aplicaciones de Microsistemas de Sandia. Es una instalación híbrida de investigación, desarrollo y producción de microelectrónica.

Dado que el diseño no necesita hardware periférico, Jau cree que puede reducir drásticamente los requisitos de tamaño, peso y energía necesarios para los relojes atómicos.

"Utilizaremos sólo el volumen del paquete de física que existe en el reloj CSAC existente, pero nos desharemos de los complicados componentes electrónicos que lo rodean", dijo Jau en el comunicado.

DARPA proporcionó a Jau y su equipo dos años de financiación, y es posible que reciban más si cumplen con los puntos de referencia de tamaño y rendimiento.