Os relógios atômicos experimentais do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) alcançaram três novos recordes de desempenho, agora marcando com precisão o suficiente para não apenas melhorar a marcação do tempo e a navegação, mas também detecta sinais fracos da gravidade, o universo primitivo e talvez até a matéria escura.

Cada um dos relógios aprisiona mil átomos de itérbio em redes ópticas, grades feitas de feixes de laser. Os átomos marcam vibrando ou alternando entre dois níveis de energia. Ao comparar dois relógios independentes, Os físicos do NIST alcançaram desempenho recorde em três medidas importantes:incerteza sistemática, estabilidade e reprodutibilidade.

Publicado online em 28 de novembro no jornal Natureza , os novos registros de relógio NIST são:

• Incerteza sistemática:quão bem o relógio representa as vibrações naturais, ou frequência, dos átomos. Os pesquisadores do NIST descobriram que cada relógio marcava a uma taxa que correspondia à frequência natural com um possível erro de apenas 1,4 partes em 10 ¹⁸ - cerca de um bilionésimo de um bilionésimo.
• Estabilidade:o quanto a frequência do relógio muda ao longo de um intervalo de tempo especificado, medido a um nível de 3,2 partes em 10 ¹⁹ (ou 0,00000000000000000032) ao longo de um dia.
• Reprodutibilidade:quão próximo os dois relógios marcam na mesma frequência, mostrado por 10 comparações do par de relógios, produzindo uma diferença de frequência abaixo de 10 ^-18 nível (novamente, menos de um bilionésimo de um bilionésimo).

"Incerteza sistemática, estabilidade, e a reprodutibilidade pode ser considerada o 'royal flush' de desempenho para esses relógios, "disse o líder do projeto, Andrew Ludlow." O acordo dos dois relógios neste nível sem precedentes, que chamamos de reprodutibilidade, é talvez o resultado mais importante, porque essencialmente requer e substancia os outros dois resultados. "

"Isso é especialmente verdadeiro porque a reprodutibilidade demonstrada mostra que o erro total dos relógios cai abaixo de nossa capacidade geral de contabilizar o efeito da gravidade sobre o tempo aqui na Terra. Portanto, ao imaginarmos relógios como esses sendo usados ​​em todo o país ou no mundo, seu desempenho relativo seria, pela primeira vez, limitado pelos efeitos gravitacionais da Terra. "

A teoria da relatividade de Einstein prevê que o tique-taque de um relógio atômico, isso é, a frequência das vibrações dos átomos, é reduzido - deslocado em direção à extremidade vermelha do espectro eletromagnético - quando operado em gravidade mais forte. Isso é, o tempo passa mais devagar nas altitudes mais baixas.

Embora esses chamados redshifts degradem a marcação do tempo do relógio, esta mesma sensibilidade pode ser girada de cabeça para baixo para medir a gravidade de maneira primorosa. Relógios super-sensíveis podem mapear a distorção gravitacional do espaço-tempo com mais precisão do que nunca. As aplicações incluem geodésia relativística, que mede a forma gravitacional da Terra, e detectar sinais do universo primitivo, como ondas gravitacionais e talvez até mesmo "matéria escura" inexplicada.

Os relógios de itérbio do NIST agora excedem a capacidade convencional de medir o geóide, ou a forma da Terra com base em pesquisas de marés do nível do mar. As comparações de tais relógios localizados distantes, como em continentes diferentes, podem resolver as medições geodésicas com uma precisão de 1 centímetro, melhor do que o atual estado da arte de vários centímetros.

Na última década de novos recordes de desempenho de relógio anunciados pelo NIST e outros laboratórios ao redor do mundo, este último artigo mostra reprodutibilidade em alto nível, dizem os pesquisadores. Além disso, a comparação de dois relógios é o método tradicional de avaliação de desempenho.

Entre as melhorias nos relógios de itérbio mais recentes do NIST estava a inclusão de blindagem térmica e elétrica, que circundam os átomos para protegê-los de campos elétricos dispersos e permitir aos pesquisadores caracterizar e corrigir melhor as mudanças de frequência causadas pela radiação de calor.

O átomo de itérbio está entre os candidatos potenciais para a futura redefinição do segundo - a unidade internacional de tempo - em termos de frequências ópticas. Os novos registros de relógio do NIST atendem a um dos requisitos do roteiro de redefinição internacional, uma melhoria de 100 vezes na precisão validada em relação aos melhores relógios com base no padrão atual, o átomo de césio, que vibra em frequências de micro-ondas mais baixas.

O NIST está construindo um relógio lattice de itérbio portátil com desempenho de última geração que poderia ser transportado para outros laboratórios ao redor do mundo para comparações de relógio e para outros locais para explorar técnicas de geodésia relativística.