Parte mecánica de una trampa magneto-óptica (MOT)

Bobinas anti-Helmholtz de una MOT

Vista parcial del arreglo experimental de una MOT

Arquitectura Básica de un reloj de átomos fríos

Relojes atómicos y experimentos con átomos ultrafríos en el CENAM Blindaje magnético Bobina de campo C La Trampa Magneto-Óptica del CENAM forma parte de un proyecto mayor en el cual se construye un reloj atómico de átomos ultrafríos denominado Fuente Atómica, el CsF-1. Cavidad de microondas Láser de detección Fotodetector Cámara de enfriamiento Válvula de titanio Depósito de Cesio CsF-1, CENAM

Síntesis y control de frecuencia en los relojes atómicos de Cesio

SDD x 2 1/10 x5 x4 Diagrama de bloques del sintetizador de microondas salida al tubo de cesio filtro de 9.192Ghz Diodo recobrador de pasos SDD x 2 1/10 x5 Amplificador de potencia Filtro de 510.7Mhz x4 Entrada de control por computadora Entrada de referencia de 5MHz 100MHZ 5MHz 10.7MHz La entrada de 5Mhz se multiplica para obtenerla frecuencia de resonancia del Cs. El control por computadora del sintetizador Digital Directo (SDD) permite sintonizar y modular

Diagrama de bloques del lazo de amarre (digital), mostrando las Tubo de Cesio Convertidor Analógico-digital DRP x18 510.7 MHz 10.7 MHz Filtro SDD Computadora Dn x 100 10 MHz Diagrama de bloques del lazo de amarre (digital), mostrando las principales componentes para la medición de frecuencia

Sintetizador de frecuencia Señal del tubo de Cs Tubo de cesio Detector de sincronía Modulador Integrador Oscilador de cristal de cuarzo Sintetizador de frecuencia Representación simplificada del sistema electrónico (analógico) de lazo de amarre en un reloj de cesio

Oscilador atómico de cesio Desventajas Tiempo considerable de calentamiento (3 a 4 horas) Tubo de cesio “desechable” No es muy práctico Gran tamaño Peso considerable Alto costo Ventajas No presenta envejecimiento* (patrón primario) Coeficiente de temperatura bajo Buen desempeño ante radiaciones Baja sensibilidad a la altitud y a campos magnéticos externos

Oscilador atómico de Rubidio

Oscilador Atómico de Rubidio Ventajas Lapso corto de Calentamiento Baja sensibilidad a la radiación Baja sensibilidad a aceleraciones lineales Tamaño pequeño Peso bajo Bajo costo Práctico y transportable Desventajas Envejecimiento considerable Alto coeficiente de temperatura Alto consumo de energía (comparado con osciladores de Cuarzo)

Oscilador de Máser de Hidrógeno

EL EFECTO MASER

Sistema cuántico de dos estados Emisión espontánea Sistema cuántico de dos estados Ea Eb

Emisión espontánea Ea Espacio Eb h1 Tiempo Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión espontánea

Sistema cuántico de dos estados Emisión estimulada Ea Eb Sistema cuántico de dos estados

Emisión estimulada Eb Ea Espacio h1 h1 Tiempo Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión estumilada

Efecto Láser E1 E2 E3 Efecto Láser E1 E2 E3 Estado de vida corta Estado metaestable Estado base E1 E2 E3 Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser Efecto Láser Estado de vida corta Estado metaestable Estado base E1 E2 E3 Bombeo óptico Decaimiento rápido Luz láser Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser

Reacción en cadena -Amplificador de luz- Efecto Láser Reacción en cadena -Amplificador de luz- Estado base Estado excitado Fotón

Elementos básicos de un Máser Máser = Cavidad Resonante + Medio de Ganancia Interfase

Niveles de energía en el Láser de helio-neón Colisiones He-Ne Estado Metaestable E3 E2 20 eV E1 18 eV Luz láser 632.8 nm Bombeo (descarga eléctrica) Energía Decaimiento rápido Estados base 0 eV Estados del He Estados del Ne

Niveles de energía en el Máser de hidrógeno F=2 P 3/2 23.7 MHz F=1 2P 10.969 GHz F=1 2S 177.6 MHz F=0 121.6 nm 1.0578 GHz F=1 P 1/2 59.19 MHz F=0 Niveles de energía involucrados en el efecto Maser en el hidrógeno F=1 1S 1.420 GHz F=0 Interacción eléctrica Estructura fina Estructura hiperfina

REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

Arquitectura básica de un Máser de hidrógeno Cámara de vacío Cavidad de microondas Haz de átomos de hidrógeno Bulbo de hidrógeno 27 cm TE011 Selector de estados cuánticos Depósito de Hidrógeno Antena Bobina Blindaje magnético

Selección de estados cuánticos F=1 F=0 0% 25% 0% F=1 F=0 25% F=1 F=0 25% F=1 F=0 0% 25%

Electrónica de un Máser Activo de hidrógeno Mezclador Amplificador 1.420 405 752 GHz 20.405 752 MHz 1.4GHz 20.405 752 MHz  250 Sintetizador Detector de fase VCXO 5 MHz Lazo de amarre 5 MHz Frecuencia patrón

Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)

Oscilador de Máser de Hidrógeno Ventajas la mejor estabilidad en tiempos de promediación de 1 seg. a 106 seg A esos tiempos de promediación tiene de 3 a 5 veces mejor estabilidad que los patrones de cesio de alto desempeño Desventajas Envejecimiento en un factor de 1-15/dia NO es un patrón primario Largo tiempo de calentamiento Gran tamaño y peso El costo mas alto de osciladores (máser activo)

Comparación de la estabilidad en frecuencia entre osciladores de Cuarzo, Cesio, Rubidio e Hidrógeno -9 Cuarzo -10 -11 Rubidio Log (y()) -12 -13 Cesio -14 -15 Maser de hidrógeno -16 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 Log (), segundos 1 día 1 mes