Relógios atômicos de pulso revolucionarão celulares, GPS e mais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/03/2025

Relógios atômicos miniaturizados poderão ser usados em satélites e estações de pesquisa remotas, veículos autônomos e em todos os sistemas baseados em posicionamento.
[Imagem: Lovisa Hakansson/Chalmers University of Technology]

Relógio atômico miniaturizado

Já sabemos que o futuro da medição do tempo pertence aos relógios atômicos ópticos, e agora também já podemos começar a falar em usar esses relógios de luz em equipamentos miniaturizados.

Os relógios atômicos ópticos representam uma nova geração dos tradicionais relógios atômicos, sendo que neles os tiquetaques são definidos pela frequência de oscilação da luz de um laser. Mas o laser e o sistema de óptica são volumosos, o que implica que eles atualmente são muito grandes e complexos para serem amplamente utilizados em aplicações do dia a dia.

Assim como uma régua com um grande número de subdivisões por centímetro, os relógios atômicos ópticos usam réguas de luz para dividir um segundo em ainda mais frações de tempo, resultando em indicações de tempo e posição milhares de vezes mais precisas.

E o potencial de sua miniaturização é gigantesco, já que relógios atômicos ópticos podem aumentar a precisão do tempo e da posição geográfica mil vezes em nossos celulares, computadores e sistemas de GPS.

Agora, uma equipe das universidades Purdue (EUA) e da Chalmers (Suécia) desenvolveu uma tecnologia que usa componentes fotônicos conhecidos como micropentes - pentes de frequência fabricados dentro de chips - que pode tornar os sistemas de relógios atômicos ópticos ultraprecisos significativamente menores e mais acessíveis.

Um micropente consiste em um espectro de frequências de luz uniformemente distribuídas. Relógios atômicos ópticos podem ser construídos travando um dente do micropente a um laser de largura de linha ultraestreita, por sua vez travado a uma transição atômica com estabilidade de frequência extremamente alta.
[Imagem: Kaiyi Wu/Chalmers University of Technology]

Pentes de frequência

O núcleo da nova tecnologia são pequenos dispositivos baseados em chip dotados de pequenas "pernas", parecidas com os dentes de um pente. Essas pernas permitem gerar um espectro de frequências de luz uniformemente distribuídas.

"Isso permite que uma das frequências do pente seja bloqueada em uma frequência do laser que, por sua vez, é bloqueada na oscilação do relógio atômico," explicou o professor Minghao Qi.

Embora os relógios atômicos ópticos ofereçam uma precisão muito maior, sua frequência de oscilação está na faixa de centenas de THz, uma frequência muito alta para qualquer circuito eletrônico "contar" diretamente. Mas os micropentes foram capazes de resolver o problema, ao mesmo tempo em que permitiram que o sistema do relógio atômico encolhesse consideravelmente.

"Felizmente, nossos chips microente podem funcionar como uma ponte entre os sinais ópticos do relógio atômico e as frequências de rádio usadas para contar as oscilações do relógio atômico. Além disso, o tamanho mínimo do micropente torna possível encolher significativamente o sistema do relógio atômico, mantendo sua extraordinária precisão," acrescentou seu colega Victor Company.

O chip fotônico construído pela equipe contém 40 micropentes, mesmo medindo apenas cinco milímetros de largura.
[Imagem: Kaiyi Wu/Chalmers University of Technology]

Relógio atômico de pulso

O protótipo da equipe já inclui fotônica integrada, o que significa que ele usa fontes de luz também baseadas em chip, em vez de ópticas de laser volumosas.

"A tecnologia de integração fotônica torna possível integrar os componentes ópticos de relógios atômicos ópticos, como pentes de frequência, fontes atômicas e lasers, em pequenos chips fotônicos com tamanhos de micrômetros a milímetros, reduzindo significativamente o tamanho e o peso do sistema," disse o professor Kaiyi Wu.

A equipe resolveu um problema importante e, na verdade, criou uma nova arquitetura para relógios atômicos miniaturizados, mas ainda falta desenvolver outros elementos necessários para criar um chip que viabilize um relógio atômico de pulso. Por exemplo, o sistema que é necessário para contar os ciclos de uma frequência óptica exige muitos outros componentes além dos micropentes, como moduladores, detectores e amplificadores ópticos.

De qualquer modo, foi um passo importante para a fabricação em massa, tornando os relógios atômicos ópticos mais acessíveis e baratos para uma gama de aplicações na sociedade e na ciência.

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