Uma equipe de pesquisadores de engenharia da UCLA e OEWaves desenvolveu um micro-oscilador óptico, um componente-chave de cronometragem de relógios que poderia melhorar muito a precisão da cronometragem, que é essencial para uso em espaçonaves, detecção de automóveis ou comunicações por satélite.

Um oscilador óptico é semelhante a um pêndulo em um relógio de pêndulo, apenas em vez de um movimento de balanço para marcar o tempo, seu "tique" é a frequência muito alta do laser, ou ciclos por segundo. Este "pêndulo óptico" é uma luz laser confinada em um ressonador muito silencioso que permite que a luz salte para frente e para trás sem perder sua energia. Esta classe de osciladores ópticos é extremamente precisa. Contudo, eles são grandes dispositivos autônomos, mais ou menos do tamanho de um forno de cozinha doméstico, e deve ser mantido em condições de laboratório completamente estáveis.

O novo oscilador tem estabilidade semelhante à de um laboratório, e é pequeno e leve o suficiente para ser potencialmente incorporado em satélites, em carros para uma navegação superprecisa, para medições de altíssima precisão, ou até mesmo um dispositivo comum como um smartphone. A melhoria é ordens de magnitude melhor em comparação com o melhor atualmente disponível fora de um laboratório, que são osciladores de cristal de quartzo em relógios de pulso de luxo, computadores e smartphones. O novo dispositivo também aproveita um fenômeno descoberto na Catedral de São Paulo, em Londres.

Os pesquisadores sugerem que isso poderia ser usado em relógios atômicos miniaturizados para espaçonaves e satélites, para o qual o tempo preciso é importante para a navegação. Pode ser usado para detecção de distância e rotação de precisão para carros e outros veículos e em espectroscopia óptica de alta resolução, que é usado para criar imagens de estruturas moleculares e atômicas.

"Quaisquer flutuações de temperatura ou pressão podem alterar o tamanho dos osciladores, e, portanto, muda a distância que a luz laser viaja, e assim, a precisão da oscilação, "disse Chee Wei Wong, professor de engenharia elétrica da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UCLA Henry Samueli e principal investigador da pesquisa.

Pense em quando o batente de uma porta se expande ou se contrai devido às mudanças na temperatura. Nas escalas minúsculas de osciladores ópticos, mesmo a menor alteração no tamanho pode afetar sua precisão.

O novo oscilador da equipe de pesquisa é preciso e estável. A frequência de oscilação da luz não muda mais do que 0,1 partes por bilhão. Ao mesmo tempo, eles reduziram o tamanho do oscilador para apenas 1 centímetro cúbico de volume.

"O laser estabilizado em miniatura demonstrado neste trabalho é um passo fundamental na redução do tamanho, peso e potência dos relógios ópticos, e possibilitar sua disponibilidade fora do laboratório e para aplicações em campo, "disse Lute Maleki, CEO da OEwaves.

O oscilador óptico da equipe de pesquisa é três a cinco vezes mais estável do que os dispositivos existentes por não ser afetado durante mudanças extremas de temperatura e pressão. Com base em resultados experimentais, os pesquisadores também sugerem que sua estabilidade pode ser até 60 vezes melhor.

"Usualmente, mesmo pequenas variações da temperatura ou pressão atmosférica introduzem incerteza de medição em uma ordem de magnitude maior do que os efeitos observados, "disse Jinkang Lim, um pesquisador de pós-doutorado da UCLA no Laboratório de Óptica Mesoscópica e Eletrônica Quântica e o autor principal do estudo. "Projetamos cuidadosamente nosso ressonador e o isolamos das flutuações do ambiente. Em seguida, observamos as mudanças mínimas e vimos que ele permaneceu estável, mesmo com mudanças ambientais.

"Este pequeno oscilador pode levar a dispositivos de medição e navegação em campo, onde a temperatura e a pressão não são controladas e mudam dramaticamente, "Lim acrescentou." Este novo micro-oscilador pode manter sua precisão, mesmo com condições ambientais hostis. "

O micro-oscilador óptico, funciona neste nível de precisão porque confina a luz laser dentro de si usando o que é conhecido como ressonância de "modo de galeria sussurrante", assim chamado devido às semelhanças com a forma como alguém pode sussurrar algo contra as paredes da cúpula da Catedral de São Paulo em Londres, onde este fenômeno foi relatado pela primeira vez, isso será completamente audível no lado oposto. O fenômeno também ocorre na Grand Central Station da cidade de Nova York. Nesse caso, a onda de luz do laser se propaga ao longo do interior especialmente projetado do micro-ressonador. Adicionalmente, a frequência permanece estável enquanto o micro-ressonador resiste às mudanças de temperatura e pressão. Finalmente, as próprias oscilações de luz são muito distintas, em vez de "difuso".