Láseres Ultra Estables para Aplicaciones en Metrología de Tiempo
Dr. J. Mauricio López Romero [email protected] Centro Nacional de Metrología, CENAM, km 4.5 Carretera a los Cues, El Marques, Qro., www.cenan.mx Enséñanos de tal manera a contar nuestros días que traigamos al corazón sabiduría Salmos 90:12 Caravaggio (1571-1610) Yo sé qué es el tiempo, pero si alguien me pregunta qué es no se lo que es. San Agustín de Hipona 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 ciencia ha librado a través del siglo XVIII, ha sido haber vencido a la naturaleza, tomándole el Sistema de Pesas y Medidas. Napoleón Bonaparte Un solo rey, una sola ley y una sola medida. Ideales de la Revolución Francesa Nada más grande ni más sublime ha salido de las manos del hombre que el Sistema Métrico Decimal. Henry Antoine de Lavoisier Como todo sistema armónico y coherente, el SI tiene sus propias reglas cuya observancia es obligatoria a fin de preservar el espíritu de unificación universal que tantas vicisitudes y esfuerzos ha costado a la humanidad, para tener un solo lenguaje que permita el buen entendimiento entre los hombres en materia de mediciones. Hector O. Nava Jaimes Como todo sistema armónico y coherente, el SI tiene sus propias reglas cuya observancia es obligatoria a fin de preservar el espíritu de unificación universal que tantas vicisitudes y esfuerzos ha costado a la humanidad, para tener un solo lenguaje que permita el buen entendimiento entre los hombres en materia de mediciones. Hector O. Nava Jaimes Centro Nacional de Metrología (CENAM) CSF-1 UTC (CNM) EAL Laboratorio Nacional de Referencia 14 THE TWO FACES OF TIME MEASUREMENT Scientific and fundamental research The current SI Time is the most accurate measurement Technological and practical applications TIME The most measured physical quantity Albert Einstein Slaves of our past and of the time ¿Existe una eternidad pasada? ¿Qué estaba haciendo Dios antes de crear el Universo? ¿Existe una eternidad futura? ¿Dios es eterno? ¿Porqué el día tiene 24 horas? El día tiene 24 horas por el corazón humano Definición del Segundo (s) en el SI Metrología: Estudia la medición de las magnitudes garantizando su normalización mediante la trazabilidad. F’ = 5 251 MHz 62p3/2 F’ = 4 201 MHz 151 MHz D2 852 nm 2014 – NIST (EEUU) [1] : F’ = 3 F’ = 2 F=4 62s1/2 9.192631770 GHz 1.000,000,000,000,000,00 133Cs ± 0.000,000,000,000,000,11 F=3 femto !!! 1 Segundo en 288 millones de años !!! El segundo está definido como la duración de 9,192,631,770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo 133Cs [2, 3]. [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. 27 En busca del Reloj Perfecto Láseres de Cavidad Extendida (ECDL) Frecuencias Ópticas ~ THz Fractional Uncertainty Optical Clocks Cavidades Ópticas ULE Átomos fríos y estados excitados metaestables Frecuencias Nominales altas Microwave Clocks Gran Cantidad de átomos ~ 30 Years Year Tiempos de operación prolongados 28 Los Mejores Relojes Atómicos en el Mundo Reloj de Microondas (133Cs) !!! 1 Segundo en 288 millones de años !!! Edad del Universo: 13798 millions of years !!! Reloj Óptico(Sr) !!! 1 Segundo en 30000 millones de años !!! 29 Justificación ¿ Y para qué tanta exactitud ? Economía (e-Business) Navegación (GPS) GPRS EDGE GSM 2G 3G 4G LTE 5G Astronomía Relatividad General Telecomunicaciones Sincronía 30 Cs-133 Atomic Clocks The second is the duration of 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the Cesium 133 atom. Hiperfine structure Ground state What is an atomic clock Disciplined oscillators The basic concept of an atomic/optical clock δ νL δ νL νL δ νA νν0L νL 0 ν Frequency Stability y ( ) of an Atomic Clock transition probability 1 ∆ ν 0 -15 -10 -5 0 νo y ( ) Allan Deviation 0 5 10 1 N 15 Strategies to develop better atomic clocks y ( ) 0 : Perfect Stability y ( ) 0 0 0 N 1 1 0 0 N 0 N 1 Cold atoms and very long lifetime on excited states Optical Frequencies Large amount of atoms Large averaging times / robust systems Ramsey Method Generador de Microondas Lazo de amarre Vacío Cavidad de Ramsey Contenedor con Cesio 133 Campo Magnético Inhomogéneo (Campo B) Campo Magnético Inhomogéneo (Campo A) CampoMagnético Constante (Campo C) Filamento Incandescente (Ionizador) Detector First atomic clocks (1957) Commercial available Cs atomic clock using the magnetic selection of N. Ramsey Cs-133 Optical pumping F’=5 ENERGY 62P1/2 100GHz 62P3/2 11 sublevels F’=4 251MHz F’=3 200MHz F’=2 150MHz 9 sublevels 7 sublevels 5 sublevels F’=4 F’=3 9 sublevels 1167MHz 7 sublevels F’=4 62S1/2 F’=3 Coulomb + Spin-Orbit + 9 sublevels 9.192631770 GHz Spin-Spin INTERACTION 7 sublevels + Zeeman Effect Ramsey method with optical pumping (1985) Microwave Oscillator Phase lock loop Detector Ramsey Cavity Cs Oven Pumping Laser Detection Laser Optically pumped thermal Cs beam clock CENAM CsOp-2 Intensidad / U.A. 180 Hz 9192630000 9192632000 Frecuencia / Hz 9192634000 RELOJES DE MATERIA ULTRA FRÍA E2 E E 2 E1 h 0 E1 Laboratory reference frame v F=0- 0 F=0- Doppler Cooling A two quantum states model Atom´s reference frame L= F - k·v + …<< 0 0 h 02 1 v 0 k v 0 ... 2 2 c 2 Mc 2 abs F R = F + k·v + … 0 d p k dt 2 LOS OBJETOS MÁS FRÍOS DEL UNIVERSO Doppler limit TDoppler k B 2 h 6,610-34 Js kB 1,310-23 J/K 124K Cesio-133 240 K Sodio CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA Cs Fountain Clock (1990) Wayne M. Itano, Norman F. Ramsey, Accurate Measurement of Time, Scientific American, July 1993. Microwaves cavity Detector Detection laser Optical molases Cooling beams Clock transition Wayne M. Itano, Norman F. Ramsey, Accurate Measurement of Time, Scientific American, 1993. -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 1.5 1 0.5 1 Hz 0 -0.5 -1 Resolution of the peak -1.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 110 15 110 16 Acople Cavidad y Fibra Óptica TEM00 47 Acople Cavidad y Fibra Óptica OF Microscopy Objetive ULE Optical Cavity M EOM Detector PBS L M • EOM : Electro Optical Modulator (MgO : LiNbO3) • OF : Optical Fiber 48 Determinación Frecuencia Cavidad Óptica ~ 1.26 GHz 201 MHz E 251 MHz 49 Arreglo Experimental Láser Ultra Estable • • AOM : Acousto-Optic Modulator MOT : Magneto Optical Trap • • SLF : Servo Loop Filter ECDL : Extended Cavity Diode Laser 50 Átomos Fríos (Efecto Doppler) “ From a certain temperature on , the molecules ‘condense’ without attractive forces, that is , they accumultae at zero velocity. The theory is pretty, but is there some truth to it?” Albert Einstein (1924) Dirección Aleatoria Debería ser dinámico 51 Átomos Fríos (Melazas Ópticas) 52 Átomos Fríos (Límite Doppler) El límite de temperatura alcanzado, se da cuando hay un balance entre el efecto de enfriamiento de la fuerza de fricción y el efecto de calentamiento asociado con la absorción y emisión de fotones. 53 Enfriamiento Sub-Doppler Premio Nobel de Física 1997 Phys. Today 43(10), 33 (1990); doi: 10.1063/1.881239 54 Enfriamiento Sub-Doppler Efecto Stark AC 55 Trampas Magneto-Ópticas σ+ Campo Magnético Cuadrupolar σ- σ- σ+ σ+ z y x σ- 56 Trampas Magneto-Ópticas Energía x 57 Átomos Ultra Fríos en el CENAM σ+ σ- σ+ σ- σ+ z y x σ- 58 Fuente atómica del CENAM Láser Ultra Estable To vacuum pump Cavidad Óptica ULE ECDL 852 nm Flight tube Arreglo Óptico Magnetic shields Ramsey cavities Detector B MOT Detector A Trampa Magneto-Óptica (MOT) Cs-133 Enfriamiento Lanzamiento y Selección Detección To vacuum pump 59 33.0 cm 22.0 cm 35.0 cm CENAM CsF-1 physical package Fuente Atómica Peine de Frecuencias Reloj atómico de bombeo óptico Osciladores de Zafiro Comparaciones Internacionales 20 millones de peticiones atendidas por día PGR SAT 1000 peticiones atendidas por día FEA IFE Escalas de tiempo, UTC, SIM-Time y Hora Oficial 10 000 Consultas por día Diseminación de la Hora Oficial al público en general Sellos de tiempo Sincronía para Redes de com. CECOBAN EDICOM Adv. Sec. Servidor cronos Empresas diversas Servicio Telefónico Medios de comunicación Hora Oficial vía página web del CENAM Público en general Secretaria de Economía IFUG, CFELAPEM, … Sincronía para TV Relojes ópticos y Peines de Frecuencia Frequency combs La “competencia” internacional para desarrollar el mejor reloj CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA Current CENAM´s Optical/Microwaves Frequencies projects Ultra Stable Laser 2 ULE Laser Under Test × 2 DDS 9.192 GHz 1 pps Time Scales laboratory To CsF-1 MOT CsF-1 1 segundo en la edad del universo 171Yb Lattice Clock 1P 1 3D 3 6s6p 6s5d 3D 2 3D 1 3P 2 λ = 398.9 nm τ = 5.5 ns γ = 28.93 MHz 1S CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA 0 λ = 555.8 nm τ = 850 ns γ = 187.24 kHz 6s2 6s6p λ = 578.4 nm τ = 21 s (171Yb) 24 s (173Yb) γ = 7.6 mHz (171Yb) 6.6 mHz 173 ( Yb) 3P 1 3P 0 Dr. Eduardo de Carlos López Dr. Sergio López López Ing. Francisco Jiménez Tapia Ing. Nélida Diaz Muñoz Newton Apple Tree Dr. J. Mauricio López Romero [email protected] Centro Nacional de Metrología, CENAM, km 4.5 Carretera a los Cues, El Marques, Qro., www.cenan.mx
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