O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST) quebrou um novo recorde ao desenvolver o relógio mais preciso do mundo. Baseado em tecnologia atômica óptica de íons de alumínio, o equipamento é capaz de medir o tempo com precisão de 19ª casas decimais.
Resultado de duas décadas de pesquisa, estima-se que a tecnologia seja 41% mais preciso e 2,6 vezes mais estável do que o antigo detentor do título. Detalhes do relógio se divulgaram nessa segunda-feira, 14 de julho, em um artigo publicado na revista Physical Review Letters.
“É emocionante trabalhar no relógio mais preciso de todos os tempos”, afirma Mason Marshall, autor do projeto, em comunicado à imprensa. “No NIST, podemos executar esses planos de longo prazo em medições de precisão. Essas medições podem expandir o campo da física e nossa compreensão do mundo ao nosso redor”.
Relógio atômico óptico
Os relógios atômicos ópticos medem o tempo com precisão rastreando as vibrações de íons (átomos super-resfriados e carregados) usando lasers. Embora os cronômetros de césio tenham sido o padrão por muito tempo, novos instrumentos baseados em alumínio estão surgindo como opções mais precisas.
Um único íon de alumínio está em seu centro, conhecido por seu “tique-taque” incrivelmente constante e de alta frequência. Esse íon tampouco sofre com a influência das condições ambientais, como a temperatura e os campos magnéticos. Ele é tão estável que ultrapassa o átomo de césio, que atualmente se usa para definir o conceito de segundo.
Mas esse íon tem um segredo. “O alumínio é um pouco tímido, sendo difícil de sondar e resfriar com lasers. Essas técnicas são essenciais para se criar os relógios atômicos”, conforme Marshall. Para superar esse empecilho, a equipe precisou então emparelhar o íon de alumínio com o de magnésio.
Por mais que o magnésio não tenha as belas propriedades de tique-taque do alumínio, o seu íon pode ser facilmente controlado com lasers. Assim, ao juntá-los, ele passa a atuar como uma espectroscopia de lógica quântica. Em que vira auxiliar do íon alumínio e resfriando-o, permitindo assim que seus “tiques” (ou vibrações) sejam lidos pelo equipamento.
Design do relógio
Mesmo assim, ainda havia uma série de efeitos físicos. Esses efeitos precisavam ser caracterizados para o pleno funcionamento do relógio.
Um desafio era o projeto da armadilha em que os íons eram mantidos. Isso causava pequenos movimentos dos íons, chamados de “micromovimento excessivo”, que reduziam a precisão do relógio. Esse excesso de micromovimento alterava a taxa de tique-taque dos íons.
Como desequilíbrios elétricos em lados opostos da armadilha criavam campos extras que perturbavam os íons, a equipe precisou redesenhar a armadilha. Eles colocaram a armadilha sobre uma pastilha de diamante mais espessa. E também modificaram os revestimentos de ouro dos eletrodos para corrigir o desequilíbrio do campo elétrico. Eles também tornaram os revestimentos mais espessos para reduzir a resistência. “Cada parte do design afeta o equipamento”, observa Daniel Rodriguez Castillo, colaborador da iniciativa.
O sistema de vácuo no qual a armadilha deve operar também estava causando problemas. O hidrogênio se difunde para fora do corpo de aço de uma câmara de vácuo típica. Traços de gás hidrogênio colidiram com os íons, interrompendo o funcionamento do relógio.
Isso limitou o tempo que o experimento poderia durar antes que os íons precisassem ser recarregados. Dessa forma, os especialistas decidiram redesenhar a câmara de vácuo e a reconstruir com titânio. Essa modificação reduziu o gás hidrogênio de fundo em 150 vezes. Na prática, isso fez com que eles pudessem passar dias sem recarregar a armadilha, em vez de recarregá-la a cada 30 minutos.
Finalização
Ainda faltava um último ingrediente: um laser mais estável para sondar os íons e contar seus tiques. Uma versão de 2019 do relógio precisou ser executada por semanas para calcular a média das flutuações quânticas. Essas são mudanças aleatórias temporárias no estado de energia dos íons que o laser causa.
Para reduzir esse tempo, a equipe recorreu a Jun Ye, do NIST, cujo laboratório abriga um dos lasers mais estáveis do mundo. Era, inclusive, o relógio reticular de estrôncio de Ye, o Estrôncio 1, detinha o recorde anterior de maior precisão.
Utilizando enlaces de fibra óptica, o grupo de Ye enviou o feixe de laser ultraestável por 3 km até o pente de frequência no laboratório do NIST. O pente de frequência atua como uma espécie de “régua” para a luz. Ele permitiu que a equipe do relógio iônico de alumínio transferisse a estabilidade da tecnologia anterior para esta mais recente.
Com essa melhoria, os investigadores conseguiram sondar os íons por um segundo inteiro, em comparação com o recorde anterior, de 150 milissegundos. Isso melhora a estabilidade do relógio, reduzindo o tempo necessário para medir até a 19ª casa decimal de três semanas para um dia e meio.
Implicações da descoberta
Com este novo recorde, o alumínio passou a contribuir para o esforço internacional de redefinir o segundo. A redefinição se realiza com níveis de precisão muito maiores do que antes, facilitando novos avanços científicos e tecnológicos. As atualizações também melhoram drasticamente seu uso como um banco de testes de lógica quântica. Explorando novos conceitos em física e construindo as ferramentas necessárias para a tecnologia quântica, uma perspectiva empolgante para os envolvidos.
Mais importante ainda, ao reduzir o tempo médio de semanas para dias, este relógio pode ser uma ferramenta para fazer novas medições da geodésia da Terra. E também explorar a física além do Modelo Padrão. Isso inclui avaliar a possibilidade de que as constantes fundamentais da natureza não sejam valores fixos, mas, sim, mutáveis.
“Com esta plataforma, estamos prontos para explorar novas arquiteturas de relógio – como aumentar o número de íons de relógio e até mesmo entrelaçá-los. Nosso objetivo é melhorar cada vez mais as nossas capacidades de medição”, conclui Willa Arthur-Dworschack, também coautora da produção.
