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Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2005 La Unidad de Tiempo, el SI y la Metrología Eléctrica Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia CENAM
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La Unidad de Tiempo, el SI
y la Metrología Eléctrica
Mauricio López R.
División de Tiempo y FrecuenciaCENAM
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Contenido0. Introducción
1. La unidad de tiempo
2. El SI y el segundo
3. Peines de frecuencia
4. Relojes ópticos
La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Ícono del Fuego NuevoCulturas prehispánicas en Mesoamérica
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0. Introducción
La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Los antecedentes
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
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Conmemorando el primer centenario de los artículos de Albert Einstein de 1905
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∂∂
−=∂∂ h
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Metrología Eléctrica
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ih
∂∂ t
Ψ = −h 2
2m∇ 2Ψ + VΨ
Mecánica Cuántica
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Interacción Radiación-Materia
Física AtómicaElectromagnetismo/Óptica
La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Principio físico de operación de relojes atómicos
ih
∂∂ t
Ψ = −h 2
2m∇ 2Ψ + VΨ
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2005
El principio para usar transiciones atómicas como referencias para construir patrones de frecuencia fue propuesto por primera vez por I.
Isaac Rabi de la Universidad de Columbia en los años 1930s
The Nobel Prizein Physics 1944
I. Isaac Rabi
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The Nobel Prizein Physics 1989
Norman F. Ramsey
La invención del método de los campos oscilantes separados y su aplicación en los relojes atómicos fue hecha por Norman Ramsey
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NBS-1, 1952
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Caesium I, 1955 (NPL)Louis Essen
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NBS-2, 1960
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2005
USD 20,000
Atomichron (Atomic-Cesium) Clock, 1960National Company, IncMalden, Massachusetts
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1. La unidad de tiempo
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
La realización de la unidad de tiempo muestra, en términos generales, una mejora en el nivel de incertidumbre de un orden de magnitud por década. El gráfico muestra la
evolución del nivel de exactitud de los patrones primarios de frecuencia desarrollados por el National Institute of Stanadards and Technology (NIST).
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Un segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133
13a Conferencia General de Pesas y MedidasOctubre de 1967
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Eléctrica
≈850
nm
Electrón Núcleo
9192631770 Hz
F’=5F’=4F’=3F’=2
F’=4
F’=3
F’=4
F’=3
251MHz
200MHz
150MHz
1167MHz
+ Efecto Zeeman
11 subniveles9 subniveles7 subniveles5 subniveles
9 subniveles
7 subniveles
9 subniveles
7 subniveles
+
Primeros niveles de energía del átomo de Cesio-133
INTERACCION
EN
ER
GIA
Espín-órbita
62P3/2
62P1/2
62S1/2
≈100
GH
z≈8
94nm
+
No
a es
cala
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2005
( ) 0122Bmg
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HFS µνδ −+
−= ( ) ( ) 2022
22
01241
21 B
hggB
hgg
Imh
HFS
JIB
HFS
JIBFHFS ν
µν
µν ++
++
+±
Inducción magnética /
Teslas
Ene
rgía
/Jo
ules
10h ν H
FS
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Relojes atómicos de selección magnética
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CsV, NRC
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2005
Relojes atómicos de selección magnética del PTB
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Relojes atómicos de bombeo óptico
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2005
Alfred KastlerFrance
École Normale Supérieure, Université de Paris Paris, Franceb.1902d.1984
The Nobel Prizein Physics 1966
El descubrimiento y desarrollo de métodos ópticos para el estudio de resonancias de radio en átomos
fue llevado a cavo por Alfred Kastler
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2005
CsOp-1, CENAM
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2005
La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Frecuencia que define a la unidad de tiempo del SI
180 kHzPr
obab
ilida
d de
Tra
nsic
ión
Espectro de Ramsey del CsOp-1
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2005
La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Franja de Ramsey del CsOp-1
Frecuencia que define a la unidad de tiempo del SI
1 kHz
Prob
abili
dad
de T
rans
ició
n
(línea central del espectro de Ramsey)
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NIST-7, NIST
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Relojes de átomos fríos de Cs-133
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2005
Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji
William D. Phillips
USA France USA
Stanford UniversityStanford, CA, USA
Collège de France; ÉcoleNormale SupérieureParis, France
National Institute ofStandards and TechnologyGaithersburg, MD, USA
b.1948 b.1933 b.1948
The Nobel Prizein Physics 1997
Manipulación de átomos con luz
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Trampa Magneto-ópticaFuerzas tipo fricción
ILx
y
z KT µ1≈
IL
IL
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Blindaje magnético
Bobina de campo C
Cavidad de microondas
Láser de detecciónFotodetector
Depósito de Cesio
Válvula de titanioCámara de
enfriamiento
CsF-1, CENAM
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Trampa Magneto-Óptica del CsF-1, CENAM
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Sistema Óptico del CsF-1
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NIST-F1
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2. El SI y la Unidad de tiempo
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La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
segundo
kilogramo
metro
candela
mol
Kelvin Ampere
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2005
Láser de HeNe estabilizado al Yodo para la realización de la unidad de longitud. En la realización de la unidad de longitud se requiere la medición de
la frecuencia de radiación de los lásres estabilizados
λυ=c
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En la reproducción de la unidad de tensión eléctrica por medio del efecto Josephson se requiere la medición de la frecuencia de radiación con la cual se
generan los pares de cooper en el dispositivo Josephson
ehnfV2
=
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0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
B (T)
ρxy (Ω )
0
500
1000
1500
2000
2500
ρxx (Ω )
La unidad de tiempo interviene de manera indirecta en el Efecto Hall Cuántico por medio de la unidad de tensión eléctrica
2nehRH =
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En las mediciones de densidad de flujo magnético, por medio de la técnica de resonancia magnétca nuclear, la unidad de tiempo interviene a través de la
medición de la frecuencia de precesión del momento magnético nuclear alrededor del campo magnético
00 21 Bγπ
ν =
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3. Peines de Frecuencia
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Peines de Frecuencia
La Unidad de Tiempo, el SI y la
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Los peines de frecuencia permiten calibrar frecuencias ópticas usando
como referencia los relojes atómicos de Cesio-133
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f
I(f)
Optical Standard, fHg
f2n=f0+2nfrfn=f0+nfr ×2
PLL 1
fr
Femtosecond laser + microstructure fiber
PLL 2
fr mf
f Hgr = m = 106
Peines de FrecuenciaPeines de Frecuencia
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2005
4. Relojes Ópticos
La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
El desarrollo de los peines de frecuencia han abierto un panorama muy interesante para el desarrollo de relojes ópticos, esto es, relojes cuya transición de referencia se encuentre en la parte visible del espectro
electromagnético
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Trampa de iones de estroncio del NRC
Relojes Ópticos
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ττσ 1)(
0 Nff∆
=
Límite cuántico de estabilidad en frecuencia
Tiempo de promediación / s
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de A
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Metrología Eléctrica
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Niveles de energía de iones de mercurio
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Metrología Eléctrica
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2005
Trampa de iones de estroncio del NRC
Relojes Ópticos
La Unidad de Tiempo, el SI y la
Metrología Eléctrica
Elementos químicos usados en los relojes ópticos
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La Unidad de Tiempo, el SI
y la Metrología Eléctrica
Mauricio López R.
División de Tiempo y FrecuenciaCENAM
GRACIAS
