Quanto mede um segundo? Relógios ópticos darão a resposta que esperamos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/01/2025

A armadilha de íons do novo relógio de cristal In+/Yb+ em sua câmara de vácuo. Os íons estão presos na lacuna que pode ser vista no meio da imagem, entre os eletrodos de ouro. O detalhe mostra o cristal de íons de índio (rosa) e itérbio (azul).
[Imagem: Physikalisch-Technische Bundesanstalt]

Relógio atômico de luz

Começamos o ano descobrindo que tudo que observamos na natureza pode ser medido com uma única constante, o segundo.

E, enquanto a comunidade da física ainda discute essa ideia, apresentada por pesquisadores brasileiros, um grupo deles já está trabalhando para termos uma unidade básica de tempo "melhor".

Para isso, vamos precisar de relógios atômicos ópticos, uma nova geração de relógios atômicos cujos tiquetaques são definidos pela frequência de oscilação da luz de um laser.

Isso é cerca de 100.000 vezes mais rápido do que as frequências de micro-ondas dos relógios de césio que estão marcando a duração do segundo hoje. Esses relógios ópticos ainda estão sendo estudados e desenvolvidos, mas os primeiros protótipos já são 100 vezes mais precisos do que os relógios atômicos baseados em césio.

Como eles ainda podem melhorar ao menos 1.000 vezes, eles certamente se tornarão a base para a definição mundial do segundo no Sistema Internacional de Unidades (SI) - atualmente já conseguimos medir zeptossegundos.

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Um esquema de comparação de relógios: O novo relógio de cristal de índio-itérbio (centro) foi comparado com um relógio de fonte de césio, um relógio de rede de estrôncio e um relógio de íon único de itérbio.
[Imagem: H. N. Hausser et al. - 10.1103/PhysRevLett.134.023201]

Relógio iônico

Para validar esses relógios ópticos futurísticos, primeiro eles estão passando por provas de confiabilidade, o que está exigindo testes repetidos e comparações entre instrumentos construídos por diversas equipes.

O Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB) é uma das principais instituições globais envolvidas nesse processo, e acaba de apresentar uma série impressionante de diferentes relógios ópticos, entre os quais relógios de íons individuais e múltiplos e relógios de rede óptica, que servirão de modelos nessas comparações.

O resultado mais marcante é um aumento da precisão em 10 vezes, o que significa que o relógio óptico de íons do elemento índio desenvolvido pela equipe é capaz de medir tempo e frequência 1.000 vezes mais precisamente do que os relógios de césio que atualmente marcam o segundo SI. O novo relógio de cristal iônico foi comparado a outros relógios ópticos e atingiu um novo recorde de precisão.

Dois outros relógios ópticos e um de micro-ondas participaram das comparações: Um relógio de itérbio de íon único, um relógio de rede de estrôncio e um mais tradicional relógio de fonte de césio. A razão do relógio de índio para o relógio de itérbio é a primeira a atingir uma incerteza geral menor do que o limite exigido para essas comparações pelo roteiro para a redefinição do segundo.

O conceito promete uma nova geração de relógios de íons ópticos altamente estáveis e precisos. A tecnologia também é aplicável a outros tipos de íons e abre novas oportunidades de conceitos de relógio inteiramente novos, como o uso de estados quânticos de muitos corpos ou a interrogação em cascata de vários conjuntos, disseram os pesquisadores do PTB.

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Um cristal formado por íons de índio (rosa) e itérbio (azul). A figura mostra a fluorescência dos átomos individuais, que é detectada para determinar o estado quântico. As cores foram manipuladas para destaque, já que a fluorescência dos dois tipos de íons está na faixa do ultravioleta.
[Imagem: H. N. Hausser et al. - 10.1103/PhysRevLett.134.023201]

Como funcionam os relógios atômicos ópticos?

Em um relógio atômico óptico, átomos são irradiados por luz laser. Se o laser tiver a frequência correta, os átomos mudam seu estado mecânico-quântico. Para isso, os átomos precisam ser protegidos de quaisquer influências externas - e as influências restantes devem ser medidas com precisão.

Esse princípio funciona muito bem para relógios ópticos com íons aprisionados. Os íons podem ser presos por meio de campos elétricos e mantidos no lugar com precisão espacial de alguns nanômetros no vácuo. Graças a esse controle e isolamento excepcionais, é possível chegar muito perto de um sistema quântico ideal e sem perturbações.

Graças a isso, os relógios de íons já atingiram incertezas sistemáticas relativas além da 18ª casa decimal - um relógio desses, se estivesse funcionando desde o Big Bang, teria atrasado ou adiantado um segundo no máximo.

Esses relógios têm sido construídos para operar com um íon individual, mas o fraco sinal de um único íon exige que ele seja medido por longos períodos de tempo - até duas semanas - para medir a frequência com uma incerteza baixa o suficiente. E, para explorar todo o potencial teórico dos relógios ópticos, seriam necessários tempos de medição de mais de três anos.

A equipe está conseguindo encurtar drasticamente esse tempo usando o paralelismo: Vários íons, geralmente de elementos diferentes, são presos na mesma armadilha, formando uma nova estrutura cristalina conforme interagem. "Além disso, esse conceito permite que as forças de diferentes tipos de íons sejam combinadas. Usamos íons de índio, já que eles têm propriedades favoráveis para atingir alta precisão. Para um resfriamento eficiente, íons de itérbio são adicionados ao cristal," detalhou o pesquisador Jonas Keller, um dos responsáveis pelo desenvolvimento dessas novas tecnologias de relógios atômicos.

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