Fuente atómica

Una fuente atómica es una trampa atómica neutra que mide una transición hiperfina atómica empujando verticalmente una nube de átomos enfriados por láser y permitiéndoles caer a través de una región de interacción bajo la influencia de la gravedad. La nube atómica se enfría y se empuja hacia arriba mediante láseres que se propagan en direcciones opuestas en una configuración de melaza óptica . La transición atómica se mide con precisión mediante microondas coherentes mientras los átomos atraviesan la región de interacción. La transición medida puede utilizarse en la medición de un reloj atómico con alta precisión. ^{[ 1 ]}

La medición de una transición hiperfina en una fuente atómica utiliza el método de Ramsey . ^{[ 2 ]} En términos generales, el método de Ramsey consiste en exponer una nube de átomos a un breve campo electromagnético de radiofrecuencia (RF) en la región de interacción en dos momentos. Tras ser impulsados ​​verticalmente más allá de la región de interacción, los átomos caen de nuevo durante un tiempo de caída libre T , que puede ser del orden de segundos. La nube atómica cae y vuelve a pasar por la región de interacción, donde se expone a un segundo pulso de RF. La frecuencia de microondas se barre a través de la transición atómica mediante numerosas mediciones repetidas para determinar la frecuencia de resonancia. ^{[ 3 ]} La fracción de átomos en la nube que han pasado del estado inicial al estado final se determina mediante un esquema de detección. ^{[ 2 ]}

El uso de una fuente atómica con una nube atómica enfriada permite tiempos de espera del orden de un segundo, lo que resulta en una resolución de frecuencia mucho mayor en comparación con un haz atómico caliente , que puede tener tiempos de interacción del orden de decenas de microsegundos. ^{[ 2 ]} Esta es una razón por la que NIST-F1 , un reloj de fuente de cesio, ^{[ 4 ]} con una inestabilidad fraccionaria de${\displaystyle 2\times 10^{-16}}$, pierde menos de un nanosegundo por año. El reloj de haz de cesio NIST-7 , con una inestabilidad fraccionaria de${\displaystyle 1\times 10^{-14}}$, pierde 30 nanosegundos en un año. ^{[ 5 ]}

La idea de la fuente atómica fue propuesta por primera vez en la década de 1950 por Jerrold Zacharias . ^{[ 6 ] [ 7 ]} Zacharias intentó implementar una fuente atómica utilizando un haz térmico de átomos, bajo el supuesto de que los átomos en el extremo de baja velocidad de la distribución de Maxwell-Boltzmann tendrían una energía suficientemente baja como para ejecutar una trayectoria parabólica de tamaño razonable. ^{[ 8 ]} Sin embargo, el intento no tuvo éxito porque los átomos rápidos en un haz térmico chocaron con los átomos de baja velocidad y los dispersaron. ^{[ 8 ]}