Harold Lyons construyó un prototipo en 1948 en el National Bureau of Standards de un reloj molecular basado en la molécula de amoníaco. Si aplicamos una onda electromagnética de una frecuencia precisa en las moléculas de amoníaco, estas moléculas absorberán la energía de la onda electromagnética.
Un circuito electrónico de cuarzo proporciona una onda electromagnética que se inyecta en una guía de ondas llena de gas amoníaco.
Esta onda se mide posteriormente cuando sale de la guía. Normalmente, una gran parte de la onda debería ser absorbida por el amoníaco. Si no es así, la frecuencia de la onda inyectada se ajusta automáticamente.
Además, este proceso de control permite controlar y limitar las posibles derivas de cuarzo mediante el comportamiento de las moléculas de amoníaco.
La frecuencia estabilizada del cuarzo se utiliza para hacer funcionar un reloj.
La ventaja de este tipo de reloj es que funciona utilizando un estándar molecular universal y estable. Desgraciadamente, la elección de la molécula de amoníaco será imprudente porque la frecuencia de absorción electromagnética del amoníaco es demasiado variable. Además, la precisión de este reloj se mantendrá menor que la de los de cuarzo.
Un dispositivo que permite emitir un haz coherente de microondas fue presentado en abril de 1954, por Charles H. Townes, entonces investigador de la Universidad de Columbia: es el máser.
El principio general del máser es atrapar moléculas de amoníaco en una cavidad.
A continuación se aplica la técnica de bombeo óptico para obtener una inversión de población, que llevará a que las moléculas atrapadas entren en resonancia. Esto resulta en una oscilación cuantificable extremadamente regular.
Asociando esta oscilación con un cuarzo, obtenemos un reloj molecular muy eficiente cuya precisión es de 10−10, o aproximadamente un segundo en treinta años.
El principio destacado por el reloj de amoníaco de Harold Lyons fue adoptado en 1955 por Louis Essen y Jack V. L. Parry, que perfeccionó un reloj atómico de cesio en el National Physical Laboratory, aplicando el trabajo de Norman F. Ramsey . Ya no se basa en la estabilidad de las moléculas, sino en la de los átomos.
Un átomo tiene varios estados energéticos diferentes; es posible seleccionar y modificar estos estados.
Al seleccionar los átomos de cesio-133 que tengan un estado energético particular y después bombardearlos con una onda electromagnética, su estado energético se modificará. Un detector permite contar los átomos así modificados.
El objetivo es encontrar sólo un estado de los átomos. En la práctica, el estado de los átomos se modificará sólo si la frecuencia de la onda electromagnética enviada corresponde a una medida muy precisa. Si el detector cuenta con demasiados átomos que no están en el estado esperado, la frecuencia de la onda electromagnética se ajusta automáticamente.
Así, el sistema se ajusta automáticamente a una frecuencia muy regular, del orden de e10 Hz, que se utiliza para controlar un reloj de cuarzo.
Estos relojes tienen una precisión de 10−12, sólo se desvían un segundo en 300 años. En 1967, durante la 13 Conferencia General de Pesas y Medidas, el tiempo astronómico ‘‘es abolido a favor de tiempo atómico’’. Ante este cuestionamiento de la definición del tiempo, la investigación ya no se dirige hacia la medida precisa del tiempo, sino hacia la metrología fundamental del tiempo y las frecuencias.
Detalle de un reloj atómico con una fuente de átomos de cesio en el USNO.
Esta ‘‘ciencia de los relojes’’ ha evolucionado mucho. La cronometría contemporánea está hoy en manos de los físicos atómicos.
Fueron ellos quienes, en la década de 1980, desarrollaron técnicas para enfriar y manipular átomos neutros mediante láser que permitieron a los relojes atómicos obtener una precisión que ahora es del orden de e−15 seconde, lo que representa una deriva de un segundo en diez millones años.
Ser capaz de determinar el tiempo con gran precisión resulta útil para muchas aplicaciones.
La cronometría contemporánea hace que las operaciones de sincronización sean más fiables en el ámbito de las telecomunicaciones, como en el caso de la multiplexación horaria.
Una escalera de tiempo ultraestable hace posibles operaciones de triangulación espacialmente precisas.
Encuentra su utilidad en aplicaciones de transferencia de tiempo, en telemetría láser, interferometría o en sistemas de posicionamiento por satélite. El sistema Galileo, por ejemplo, utiliza relojes de átomos fríos.
Actualmente, las medidas extensas del tiempo proporcionan a los científicos el poder de intentar verificar conceptos como la teoría de la relatividad.
El tiempo es producido por una red de relojes atómicos comparados entre sí mediante una medida de transferencia de tiempo que debe respetar un protocolo que incluye ponderaciones y exclusiones.
El tiempo universal coordinado, abreviado por UTC, define la hora legal del mundo. Se ajusta al Tiempo Atómico Internacional (TAI) mediante una conexión por etapas para tener en cuenta la ligera desaceleración de la rotación de la Tierra sobre sí misma.
Los astrofísicos descubrieron a los púlsares de milisegundos en 1982 . Son estrellas que giran varios cientos de veces por segundo y emiten ondas de radio.
Algunos han planteado la idea de poder utilizar estas ondas para la cronometría, pero el estudio de estos púlsares demostró que no eran estables, ni a corto ni a largo plazo.
Actualmente, los resultados experimentales más prometedores se obtienen mediante relojes de iones y relojes de matriz óptica que ofrecen tasas de precisión que se aproximan 10e−18 segons.
Mientras que un reloj atómico clásico utiliza las transiciones electrónicas de los átomos, varios equipos de investigación están trabajando en las transiciones nucleares de los núcleos de torio 229 m para crear un reloj utilizando trampas de iones.