Centro Nacional de Metrología, CENAM, km 4.5 Carretera a los Cues, El Marques, Qro.,www.cenan.mx

Dr. J. Mauricio López Romerojlopez@cenam.mx

Enséñanos de tal manera acontar nuestros días que

traigamos al corazónsabiduría

Salmos 90:12

Caravaggio (1571-1610)

San Agustín de Hipona

Yo sé qué es el tiempo, pero sialguien me pregunta qué es no selo que es.

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 cienciaha librado a través del siglo XVIII, hasido haber vencido a la naturaleza,tomándole el Sistema de Pesas yMedidas.

Napoleón Bonaparte

Un solo rey, una sola ley y una sola medida.

Ideales de la Revolución Francesa

Nada más grande ni más sublime hasalido de las manos del hombre que elSistema Métrico Decimal.

Henry Antoine de Lavoisier

Como todo sistema armónico ycoherente, el SI tiene sus propias reglascuya observancia es obligatoria a finde preservar el espíritu de unificaciónuniversal que tantas vicisitudes yesfuerzos ha costado a la humanidad,para tener un solo lenguaje quepermita el buen entendimiento entrelos hombres en materia de mediciones.

Hector O. Nava Jaimes

Como todo sistema armónico ycoherente, el SI tiene sus propias reglascuya observancia es obligatoria a finde preservar el espíritu de unificaciónuniversal que tantas vicisitudes yesfuerzos ha costado a la humanidad,para tener un solo lenguaje quepermita el buen entendimiento entrelos hombres en materia de mediciones.

Hector O. Nava Jaimes

Centro Nacional de Metrología (CENAM)

Laboratorio Nacional de Referencia14

CSF-1

UTC (CNM)

EAL

TIMEThe most measured physical quantity

THE TWO FACES OF TIME MEASUREMENT

The current SITime is the most accurate measurement

Scientific and fundamental research Technological and practicalapplications

Albert Einstein

Slaves of our past and of the time

¿Existe una eternidad pasada?

¿Qué estaba haciendo Diosantes de crear el Universo?

¿Existe una eternidad futura?

¿Dios es eterno?

¿Porqué el día tiene 24 horas?

El día tiene 24 horas por elcorazón humano

1.000,000,000,000,000,00± 0.000,000,000,000,000,11

Definición del Segundo (s) en el SI

Metrología: Estudia la medición de las magnitudesgarantizando su normalización mediante la trazabilidad.

El segundo está definido como la duración de 9,192,631,770 periodosde la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles

hiperfinos del estado base del átomo 133Cs [2, 3].

62s1/2

F = 3

F = 4

9.192631770 GHz

62p3/2

F’ = 5

F’ = 4

F’ = 3F’ = 2

251 MHz

201 MHz

151 MHzD2

852 nm

62s1/2

F = 3

F = 4

62p3/2

F’ = 5

F’ = 4

F’ = 3F’ = 2

251 MHz

201 MHz

151 MHzD2

852 nm

[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.

2014 – NIST (EEUU) [1] :

27

!!! 1 Segundo en 288 millones de años !!!

133Csfemto

28

Átomos fríos y estadosexcitados metaestables

FrecuenciasNominales altas

Gran Cantidadde átomos

Tiempos de operaciónprolongados

Fra

ctio

nal U

ncer

tain

ty

Year

MicrowaveClocks

OpticalClocks

~ 30 Years

FrecuenciasÓpticas~ THz Cavidades

Ópticas ULE

Láseres de CavidadExtendida

(ECDL)

En busca del Reloj Perfecto

29

Los Mejores Relojes Atómicosen el Mundo

!!! 1 Segundo en 30000 millones de años !!!

!!! 1 Segundo en 288 millones de años !!!

Reloj de Microondas (133Cs)

Reloj Óptico(Sr)

Edad del Universo: 13798 millions of years !!!

Justificación

30

¿ Y paraqué tantaexactitud ?

TelecomunicacionesSincroníaAstronomía

Navegación (GPS)

Relatividad General

Economía (e-Business)

GPRSEDGE

GSM 2G3G

4G LTE5G

Cs-133 Atomic Clocks

The second is the duration of 9 192 631 770 periods of theradiation corresponding to the transition between the twohyperfine levels of the ground state of the Cesium 133atom.

Hiperfinestructure

Groundstate

What is an atomic clock

Disciplined oscillatorsThe basic concept of an atomic/optical clock

νν0

δ νAδ νL

νL

δ νL

νL

νL 0

Ny

1)(

0

Frequency Stability of an Atomic Clock

-15 -10 -5 0 5 10 15

tran

sitio

n pr

obab

ility

0

1

νo

∆ ν

)( y

Allan Deviation

Strategies to develop better atomic clocks

1N

00

Cold atoms and very long lifetime on excitedstatesOpticalFrequenciesLarge amount of atoms

Large averaging times / robustsystems

01

)(

1

00 0

N

y N

StabilityPerfecty :0)(

CampoMagnético Constante(Campo C)

Contenedor conCesio 133

Cavidad de Ramsey

Campo MagnéticoInhomogéneo

(Campo B)

Campo MagnéticoInhomogéneo

(Campo A)

FilamentoIncandescente

(Ionizador)

Detector

Generador deMicroondas

Lazo deamarre

Vacío

Ramsey Method

First atomic clocks(1957)

Commercial available Cs atomic clock using the magnetic selection ofN. Ramsey

Cs-133 Optical pumping

Coulomb Spin-Spin

9.192631770 GHz

F’=5F’=4F’=3F’=2

F’=4

F’=3

F’=4

F’=3

251MHz

200MHz

150MHz

1167MHz

+ Zeeman Effect

11 sublevels

9 sublevels

7 sublevels

5 sublevels

9 sublevels

7 sublevels

9 sublevels

7 sublevels

+

INTERACTION

ENER

GY

Spin-Orbit

62P3/2

62P1/2

62S1/2

100

GH

z

+

Ramsey method with opticalpumping (1985)

Cs Oven

Pumping Laser Detection Laser

Detector

Ramsey Cavity

MicrowaveOscillator

Phase lockloop

Optically pumped thermal Csbeam clock CENAM CsOp-2

9192630000 9192632000 9192634000

Inte

nsid

ad /

U.A

.

Frecuencia / Hz

180 Hz

RELOJES DE MATERIA ULTRA FRÍA

E2

E1

012 hEEE

Laboratory reference frame

F=0- F=0-0

v

R = F + k·v + … 0L= F - k·v + …<< 0

Atom´s reference frame

0

...22

12

20

2

00

Mc

h

c

vabs

vk

kpF2

dt

d

Doppler CoolingA two quantum states model

Doppler limit

2

BDopplerkT

Cesio-133K124

SodioK240h 6,610-34 Js

kB 1,310-23 J/K

LOS OBJETOS MÁS FRÍOS DEL UNIVERSO

CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA

Cooling beams

Detection laser

Microwaves cavity Detector

Optical molases

Wayne M. Itano, Norman F.Ramsey, AccurateMeasurement of Time,Scientific American, July1993.

Cs Fountain Clock(1990)

1615 101101

Resolution of the peak-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Hz1

Wayne M. Itano, Norman F.Ramsey, AccurateMeasurement of Time,Scientific American, 1993.

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Clock transition

Acople Cavidad y Fibra Óptica

47

TEM00

Acople Cavidad y Fibra Óptica

48

• EOM : Electro Optical Modulator (MgO : LiNbO3)• OF : Optical Fiber

PBS

L

DetectorEOM

M

M

MicroscopyObjetive

OF

ULEOptical Cavity

49

Determinación FrecuenciaCavidad Óptica

251 MHz

~ 1.26 GHz

E

201 MHz

Arreglo Experimental Láser Ultra Estable

50

• AOM : Acousto-Optic Modulator• MOT : Magneto Optical Trap

• SLF : Servo Loop Filter• ECDL : Extended Cavity Diode Laser

Átomos Fríos (Efecto Doppler)

51

Dirección Aleatoria

“ From a certain temperature on , the molecules ‘condense’ withoutattractive forces, that is , they accumultae at zero velocity. The theory is pretty,

but is there some truth to it?” Albert Einstein (1924)

Debería ser dinámico

Átomos Fríos (Melazas Ópticas)

52

Átomos Fríos (Límite Doppler)

53

El límite de temperatura alcanzado, se da cuando hay un balance entreel efecto de enfriamiento de la fuerza de fricción y el efecto decalentamiento asociado con la absorción y emisión de fotones.

Enfriamiento Sub-Doppler

54

Phys. Today 43(10), 33 (1990); doi: 10.1063/1.881239Premio

Nobel deFísica1997

Enfriamiento Sub-Doppler

55

Efecto Stark AC

Trampas Magneto-Ópticas

56

z

x

y

σ-

σ+

σ-

σ- σ+

σ+

Campo MagnéticoCuadrupolar

Trampas Magneto-Ópticas

57

x

Energía

Átomos Ultra Fríos en el CENAM

58

z

x

y

σ-

σ+

σ-

σ- σ+

σ+

59

ECDL852 nm

CavidadÓptica

ULE

Láser Ultra Estable

ArregloÓptico

Enfriamiento

Lanzamientoy

Selección

Detección

TrampaMagneto-Óptica

(MOT)Cs-133

Fuente atómica del CENAM

To vacuumpump

Detector A

MOT

Ramseycavities

To vacuum pump

Magneticshields

Flighttube

Detector B

33.0

cm

22.0

cm

35.0

cmCENAM CsF-1

physical package

Fuente Atómica Peine de Frecuencias Reloj atómico debombeo óptico

Osciladoresde Zafiro

Escalas de tiempo, UTC, SIM-Time y Hora Oficial

IFUG, CFE-LAPEM, …

Secretaria deEconomía

Hora Oficial vía páginaweb del CENAMServidor cronos

PGRSATFEAIFE

20 millonesde peticiones

atendidaspor día

1000peticionesatendidaspor día

10 000Consultas por día

Medios decomunicación

Empresas diversas Público en general

CECOBAN

EDICOM

Adv. Sec.

ComparacionesInternacionales

Diseminación de la Hora Oficial al público en general Sellos de tiempo Sincronía para Redes de com. Sincronía para TV

ServicioTelefónico

Relojes ópticos y Peines de Frecuencia

Frequency combs

La “competencia” internacional para desarrollar el mejorreloj

CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA

Current CENAM´s Optical/Microwaves Frequenciesprojects

ULE

×2

To CsF-1 MOT

DDS

Laser UnderTest

9.192 GHz

Ultra Stable Laser2

CsF-1

1 pps

Time Scaleslaboratory

CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA

1S0 6s2

1P1

3D3

3D23D1

3P2

3P13P0λ = 398.9 nm

τ = 5.5 nsγ = 28.93 MHz λ = 555.8 nm

τ = 850 nsγ = 187.24 kHz

λ = 578.4 nmτ = 21 s (171Yb)

24 s (173Yb)γ = 7.6 mHz(171Yb)

6.6 mHz(173Yb)

6s6p

6s6p

6s5d

1 segundo en la edad del universo

171Yb Lattice Clock

Dr. Eduardo de Carlos López

Dr. Sergio López López

Ing. Francisco Jiménez Tapia

Ing. Nélida DiazMuñoz

Newton Apple Tree

Centro Nacional de Metrología, CENAM, km 4.5 Carretera a los Cues, El Marques, Qro.,www.cenan.mx

Dr. J. Mauricio López Romerojlopez@cenam.mx