Os pesquisadores mediram o tique-taque de um relógio óptico com uma precisão recorde, ao mesmo tempo em que mostram que o relógio pode ser operado com consistência sem precedentes. Essas conquistas representam um passo significativo para demonstrar que a nova geração de relógios atômicos ópticos é precisa e robusta o suficiente para ser usada para redefinir a duração oficial de um segundo, que atualmente é baseado em relógios atômicos de micro-ondas.

"Uma definição mais precisa de uma segunda e melhor infraestrutura de cronometragem apoiaria avanços contínuos nos sistemas de cronometragem usados ​​em uma ampla gama de aplicações, incluindo sistemas de comunicação e navegação, "disse Andrew Ludlow, um dos líderes da equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), EUA. "Também forneceria medições mais precisas para explorar fenômenos físicos que ainda não são totalmente compreendidos."

A nova pesquisa é relatada em Optica .

"Os relógios ópticos são provavelmente capazes de uma precisão muito maior, provavelmente 10 a 100 vezes melhor do que medimos neste trabalho, "disse Ludlow." Para provar a verdadeira precisão desses relógios sem ser limitado pela definição atual de um segundo, será necessário fazer comparações de alta qualidade diretamente entre vários tipos de relógios ópticos.

Por que usar um relógio óptico?

Os relógios funcionam contando um evento recorrente com uma frequência conhecida, como o balanço de um pêndulo. Para relógios atômicos tradicionais, o evento recorrente é a oscilação natural do átomo de césio, que tem uma frequência na região de microondas do espectro eletromagnético. Desde 1967, o Sistema Internacional de Unidades (SI) definiu um segundo como o tempo que decorre durante 9, 192, 631, 770 ciclos do sinal de microondas produzido por essas oscilações.

Os relógios atômicos ópticos usam átomos como itérbio e estrôncio que oscilam cerca de 100, 000 vezes mais altas do que as frequências de microondas, na óptica, ou visível, parte do espectro eletromagnético. Essas frequências mais altas permitem que os relógios ópticos batam mais rápido do que os relógios atômicos de micro-ondas, tornando-os mais precisos e estáveis ​​ao longo do tempo.

"As frequências mais altas medidas por relógios ópticos geralmente tornam mais fácil controlar as influências ambientais sobre os átomos, "disse Tara Fortier, um membro da equipe de pesquisa. "Essa vantagem pode eventualmente permitir o desenvolvimento de sistemas compactos de relógio óptico que mantêm um desempenho relativamente alto em uma ampla gama de ambientes de aplicativos."

Atingindo a precisão do registro

Para mostrar que o tempo mantido com um relógio óptico é compatível com os relógios atômicos de césio padrão de hoje, os pesquisadores converteram a frequência de um relógio atômico óptico de itérbio no NIST para a região de micro-ondas e compararam com uma coleção de medições de relógios atômicos de césio localizados em todo o globo.

Eles alcançaram medições de frequência do relógio óptico de itérbio com uma incerteza de 2,1 X 10-16. Isso corresponde à perda de apenas cerca de 100 segundos sobre a idade do universo (14 bilhões de anos) e estabelece um novo recorde de precisão para medições referenciadas ao césio de um relógio óptico.

Embora os relógios ópticos sejam muito precisos, eles tendem a ter períodos de inatividade significativos devido à sua complexidade técnica e design de protótipo. Os pesquisadores do NIST usaram um grupo de oito masers de hidrogênio para manter a hora quando o relógio óptico não estava operacional. Masers, que são como lasers que operam na faixa espectral de microondas, pode manter o tempo de forma confiável, mas tem precisão limitada.

"A estabilidade dos masers - uma das melhores escalas de tempo locais do mundo - é uma das razões pelas quais fomos capazes de realizar uma comparação tão precisa com o césio, "disse Tom Parker, um membro da equipe de pesquisa. Eles reduziram ainda mais a incerteza ao fazer 79 medições em 8 meses. Esta é a primeira vez que medições de relógio óptico foram relatadas em um período de tempo tão longo.

Para entender melhor os limites dos relógios ópticos, os pesquisadores planejam comparar o relógio óptico de itérbio usado neste estudo com outros tipos de relógios ópticos em desenvolvimento no NIST. Eventualmente, os relógios NIST poderiam ser comparados com relógios ópticos em outros países para determinar quais tipos de relógios seriam os melhores para redefinir o segundo SI.

Os pesquisadores ressaltam que a redefinição da duração de um segundo ainda está alguns anos longe. Mesmo que mude, a aplicação do novo padrão exigiria uma tecnologia que melhor conectasse e transmitisse sinais de relógios ópticos em todo o mundo de uma forma que mantivesse a estabilidade e a precisão do tempo.