Uma colaboração europeia envolvendo especialistas em relógio do Laboratório Físico Nacional (NPL), o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) e o Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) usaram um relógio atômico ótico transportável para medir a gravitação pela primeira vez. Os resultados do experimento foram publicados em Física da Natureza .

Até agora, Esses relógios delicados foram restritos a laboratórios em algumas das principais instituições de pesquisa. Contudo, pesquisadores do PTB desenvolveram um relógio de rede ótica de estrôncio transportável para realizar medições em campo. O relógio transportável foi conduzido em um trailer com amortecimento de vibração e temperatura estabilizada para o Laboratório Subterrâneo Francês Modane (LSM). O laboratório multidisciplinar está localizado no meio do túnel rodoviário de Fréjus entre a França e a Itália.

Lá, a equipe mediu a diferença de potencial de gravidade entre a localização exata do relógio dentro da montanha e um segundo relógio no INRIM localizado a 90 km de distância em Torino, Itália, a uma diferença de altura de cerca de 1, 000 m.

A comparação precisa dos dois relógios foi possível usando um link de fibra óptica de 150 km de comprimento configurado pelo INRIM e um pente de frequência do NPL para conectar o relógio ao link. Pesquisadores da Leibniz Universität Hannover também determinaram a diferença de potencial gravitacional usando técnicas geodésicas convencionais, e as duas medidas mostraram-se consistentes.

Com melhorias na precisão do relógio óptico transportável, esta técnica tem o potencial de resolver diferenças de altura tão pequenas quanto 1 cm na superfície da Terra. A vantagem de usar relógios ópticos é que eles podem fazer medições em pontos específicos, em contraste com medições baseadas em satélite, como GRACE e GOCE, que calcula a média do potencial de gravidade em escalas de comprimento de cerca de 100 km.

Este novo método pode levar a medições de alta resolução do potencial de gravidade da Terra, permitindo que os cientistas monitorem as mudanças nas alturas continentais relacionadas aos níveis do mar e à dinâmica das correntes oceânicas com uma precisão sem precedentes. Isso também levará a sistemas de altura nacionais mais consistentes.

Atualmente, diferentes países medem a superfície da Terra da mesma maneira, mas em relação a diferentes níveis de referência. Isso gerou problemas, sendo um deles a Ponte Hochrhein entre a Alemanha e a Suíça, onde a construção de cada lado usou diferentes cálculos do nível do mar, levando a uma discrepância de 54 cm entre os dois lados.

Alcançar a consistência entre os sistemas nacionais de altura evitará erros onerosos em projetos de engenharia e construção. Medições aprimoradas do potencial de gravidade também podem ajudar a melhorar nossa compreensão dos efeitos geodinâmicos associados às mudanças de massa sob a superfície da Terra.

Esta tecnologia também medirá a mudança dos níveis do mar em tempo real, permitindo aos pesquisadores rastrear tendências sazonais e de longo prazo nas massas do manto de gelo e mudanças gerais na massa do oceano. Esses dados fornecem dados essenciais para os modelos usados ​​para estudar e prever os efeitos das mudanças climáticas.

Helen Margolis, bolsista em padrões de frequência óptica e metrologia na NPL, disse, "Nosso experimento de prova de princípio demonstra que os relógios ópticos podem fornecer uma maneira de eliminar discrepâncias e harmonizar as medições feitas além das fronteiras nacionais. Um dia, tal tecnologia poderia ajudar a monitorar as mudanças no nível do mar resultantes das mudanças climáticas. "

O líder do grupo Christian Lisdat no PTB, disse, "Os relógios ópticos são considerados a próxima geração de relógios atômicos - operando não apenas em laboratórios, mas também como instrumentos de precisão móveis."

Davide Calonico no INRIM, disse, "Demonstramos que os relógios ópticos são sensores quânticos valiosos, e sua tecnologia quântica é benéfica fora da metrologia primária, na geodésia. Juntos, relógios ópticos e links de fibra óptica oferecem a possibilidade de acessar novas e fascinantes investigações científicas "

Heiner Denker na Leibniz Universität Hannover, disse, "Os relógios ópticos recentemente desenvolvidos têm o potencial de revolucionar a determinação de altura geodésica, pois podem superar algumas das limitações das técnicas geodésicas clássicas. Os relógios ópticos podem ajudar a estabelecer um sistema unificado de referência de altura mundial com impacto significativo na pesquisa geodinâmica e climática. "