Relógios atômicos ópticos prontos para redefinir o tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/07/2020

Uma melhoria de 100 vezes é algo quase inimaginável nesse campo.
[Imagem: Takuma Nakamura et al. - 10.1126/science.abb2473]

Da luz para as micro-ondas

Tecnologias fotônicas, normalmente usadas para a luz visível, permitiram melhorar em 100 vezes a estabilidade de um sinal de micro-ondas.

O detalhe é que esses sinais são usados em conjunto com os ultraprecisos relógios atômicos, o que significa que a nova tecnologia cria melhores circuitos eletrônicos para viabilizar a disseminação mais precisa do tempo oficial, melhorar a navegação, garantir comunicações mais confiáveis e gerar imagens de maior resolução nos radares e equipamentos de observação astronômica.

São tantos ganhos porque a tecnologia transfere a já excepcional estabilidade dos relógios atômicos, que operam em frequências ópticas, para as frequências de micro-ondas, atualmente usadas para calibrar sistemas eletrônicos. Esses sistemas são incapazes de contar diretamente os sinais ópticos, o que exigiu o desenvolvimento de uma técnica para transferir indiretamente a estabilidade do sinal dos relógios ópticos para o domínio das micro-ondas.

As ondas de luz visível têm ciclos mais curtos e mais rápidos do que as micro-ondas, por isso têm formas diferentes. Ao converter ondas ópticas estáveis em micro-ondas, os pesquisadores acompanharam a fase - a temporização exata das ondas - para garantir que elas fossem idênticas e não mudassem uma em relação à outra. O experimento rastreou as mudanças de fase com uma resolução correspondente a apenas um milionésimo de ciclo.

"Este é um campo no qual apenas dobrar a estabilidade das micro-ondas pode levar anos ou décadas para ser alcançado. Melhorar 100 vezes é quase impensável," disse Chris Oates, do Laboratório Nacional de Padronização e Tecnologia dos EUA (NIST).

Definição internacional do tempo

Alguns componentes do sistema, como pentes e detectores de frequência, já estão prontos para serem usados em aplicações de campo, mas a equipe continua trabalhando na transferência dos relógios ópticos de ponta para plataformas móveis.

Os relógios de itérbio, por exemplo, que operam em frequências de 518 terahertz, atualmente ocupam grandes mesas em ambientes de laboratório altamente controlados.

Sinais eletrônicos ultra-estáveis podem viabilizar aplicações em larga escala, da calibração de relógios à detecção de eventos sísmicos. Sinais superestáveis também podem tornar os sistemas de comunicação sem fio mais confiáveis.

Além disso, o desenvolvimento de relógios atômicos sensíveis, estáveis e que possam ser disseminados pelo mundo é uma questão essencial para a redefinição do padrão internacional do tempo.

Hoje, o segundo é definido pelo Sistema Internacional (SI) com base nas frequências de micro-ondas absorvidas pelos átomos de césio nos relógios atômicos convencionais. Nos próximos anos, a comunidade científica internacional deverá selecionar um novo padrão de tempo com base nas frequências ópticas absorvidas por outros átomos, como o itérbio.

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