Os físicos da JILA criaram um design totalmente novo para um relógio atômico, em que os átomos de estrôncio são compactados em um minúsculo cubo tridimensional (3-D) em 1, 000 vezes a densidade dos relógios unidimensionais (1-D) anteriores. Ao fazer isso, eles são os primeiros a aproveitar o comportamento ultracontrolado de um chamado "gás quântico" para fazer um dispositivo de medição prático.

Com tantos átomos completamente imobilizados no lugar, O relógio cúbico de gás quântico da JILA estabelece um recorde para um valor chamado "fator de qualidade" e a precisão de medição resultante. Um grande fator de qualidade se traduz em um alto nível de sincronização entre os átomos e os lasers usados ​​para sondá-los, e torna os "tique-taques" do relógio puros e estáveis ​​por um tempo incomumente longo, alcançando assim maior precisão.

Até agora, cada um dos milhares de átomos em "tique-taque" nos relógios avançados se comporta e é medido de maneira amplamente independente. Em contraste, o novo relógio de gás quântico cúbico usa uma coleção de átomos que interage globalmente para restringir as colisões e melhorar as medições. A nova abordagem promete inaugurar uma era de medições e tecnologias dramaticamente aprimoradas em muitas áreas baseadas em sistemas quânticos controlados.

O novo relógio é descrito na edição de 6 de outubro de Ciência .

"Estamos entrando em um momento realmente emocionante em que podemos fazer a engenharia quântica de um estado da matéria para um propósito de medição específico, "disse o físico Jun Ye, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). Você trabalha na JILA, que é operado em conjunto pelo NIST e pela University of Colorado Boulder.

A peça central do relógio é um estado incomum da matéria chamado de gás Fermi degenerado (um gás quântico para partículas de Fermi), criado pela primeira vez em 1999 pela falecida colega de Ye, Deborah Jin. Todos os relógios atômicos anteriores usavam gases térmicos. O uso de um gás quântico permite que todas as propriedades dos átomos sejam quantizadas, ou restrito a valores específicos, pela primeira vez.

"O potencial mais importante do relógio quântico 3-D de gás é a capacidade de aumentar o número de átomos, o que levará a um grande ganho de estabilidade, "Você disse." Além disso, poderíamos alcançar a condição ideal de fazer funcionar o relógio com seu tempo de coerência total, que se refere a quanto tempo uma série de carrapatos pode permanecer estável. A capacidade de aumentar o número de átomos e o tempo de coerência tornará este relógio de nova geração qualitativamente diferente da geração anterior. "

Até agora, relógios atômicos trataram cada átomo como uma partícula quântica separada, e as interações entre os átomos representavam problemas de medição. Mas uma coleção projetada e controlada, um "sistema quântico de muitos corpos, "organiza todos os seus átomos em um padrão particular, ou correlação, para criar o estado geral de energia mais baixo. Os átomos então se evitam, independentemente de quantos átomos são adicionados ao relógio. O gás dos átomos efetivamente se transforma em um isolante, que bloqueia as interações entre os constituintes.

O resultado é um relógio atômico que pode superar todos os predecessores. Por exemplo, a estabilidade pode ser pensada em como precisamente a duração de cada tick corresponde a todos os outros ticks, que está diretamente ligado à precisão da medição do relógio. Comparado com os relógios 1-D anteriores de Ye, o novo relógio quântico 3-D de gás pode atingir o mesmo nível de precisão mais de 20 vezes mais rápido devido ao grande número de átomos e tempos de coerência mais longos.

Os dados experimentais mostram que o relógio quântico 3-D de gás alcançou uma precisão de apenas 3,5 partes de erro em 10 quintilhões (1 seguido de 19 zeros) em cerca de 2 horas, tornando-se o primeiro relógio atômico a atingir esse limite (19 zeros). "Isso representa uma melhoria significativa em relação a qualquer demonstração anterior, "Ye disse.

O mais velho, A versão 1-D do relógio JILA era, até agora, o relógio mais preciso do mundo. Este relógio contém átomos de estrôncio em uma matriz linear de armadilhas em forma de panqueca formadas por feixes de laser, chamado de rede óptica. O novo relógio quântico de gás 3-D usa lasers adicionais para capturar átomos ao longo de três eixos, de modo que os átomos sejam mantidos em um arranjo cúbico. Este relógio pode manter tiques estáveis ​​por quase 10 segundos com 10, 000 átomos de estrôncio presos a uma densidade acima de 10 trilhões de átomos por centímetro cúbico. No futuro, o relógio pode ser capaz de sondar milhões de átomos por mais de 100 segundos de cada vez.

Relógios de rede ótica, apesar de seus altos níveis de desempenho em 1-D, tem que lidar com uma troca. A estabilidade do relógio pode ser melhorada ainda mais, aumentando o número de átomos, mas uma densidade maior de átomos também incentiva colisões, mudando as frequências em que os átomos marcam e reduzindo a precisão do relógio. Os tempos de coerência também são limitados por colisões. É aqui que os benefícios da correlação de muitos corpos podem ajudar.

O design de rede 3-D - imagine uma grande caixa de ovos - elimina essa desvantagem, mantendo os átomos no lugar. Os átomos são férmions, uma classe de partículas que não podem estar no mesmo estado quântico e localização ao mesmo tempo. Para um gás quântico Fermi sob as condições de operação deste relógio, a mecânica quântica favorece uma configuração em que cada sítio de rede individual é ocupado por apenas um átomo, o que evita as mudanças de frequência induzidas por interações atômicas na versão 1-D do relógio.

Os pesquisadores da JILA usaram um laser ultra-estável para atingir um nível recorde de sincronização entre os átomos e os lasers, alcançando um fator de qualidade recorde de 5,2 quatrilhões (5,2 seguido por 15 zeros). O fator de qualidade refere-se a quanto tempo uma oscilação ou forma de onda pode persistir sem se dissipar. Os pesquisadores descobriram que as colisões de átomos foram reduzidas de tal forma que sua contribuição para mudanças de frequência no relógio foi muito menor do que em experimentos anteriores.

"Este novo relógio de estrôncio usando um gás quântico é um sucesso inicial e surpreendente na aplicação prática da 'nova revolução quântica, 'às vezes chamado de' quantum 2.0 ', "disse Thomas O'Brian, chefe da Divisão de Física Quântica do NIST e supervisor de Ye. "Esta abordagem é uma promessa enorme para o NIST e a JILA aproveitarem as correlações quânticas para uma ampla gama de medições e novas tecnologias, muito além do tempo. "

Dependendo dos objetivos de medição e aplicações, Os pesquisadores da JILA podem otimizar os parâmetros do relógio, como temperatura operacional (10 a 50 nanokelvins), número do átomo (10, 000 a 100, 000), e tamanho físico do cubo (20 a 60 micrômetros, ou milionésimos de metro).

Os relógios atômicos há muito avançam na fronteira da ciência da medição, não apenas em cronometragem e navegação, mas também em definições de outras unidades de medida e outras áreas de pesquisa, como em buscas de mesa para a "matéria escura" ausente no universo.

O National Bureau of Standards, agora NIST, inventou o primeiro relógio atômico em 1948.