p Os físicos da JILA demonstraram um novo design de relógio atômico que combina operação quase contínua com sinais fortes e alta estabilidade, recursos não encontrados anteriormente juntos em um único tipo de relógio atômico de próxima geração. O novo relógio, que usa "pinças" a laser para capturar, controlar e isolar os átomos, também oferece possibilidades únicas para aprimorar o desempenho do relógio usando os truques da física quântica. p Descrito em um artigo a ser publicado online em 12 de setembro pela revista Ciência , a nova plataforma de relógio é uma matriz de até 10 átomos de estrôncio confinados individualmente por 10 pinças ópticas, que são criados por um feixe de laser infravermelho apontado por um microscópio e desviado em 10 pontos.

p JILA é um instituto conjunto de pesquisa e treinamento operado pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.

p Enquanto os pesquisadores da JILA ainda não avaliaram totalmente o desempenho do novo relógio, dados preliminares sugerem que o projeto é promissor. O relógio da pinça está "de plantão" verificando seu desempenho em 96% do tempo porque precisa de pouco tempo de inatividade para preparar novos átomos, e os átomos estão bem isolados, então é menos provável que interfiram uns com os outros. Essas duas qualidades são compartilhadas com um dos relógios mais importantes do mundo, um relógio baseado em um único íon (átomo eletricamente carregado). O relógio da pinça também pode fornecer os sinais fortes e a estabilidade de um relógio de rede multi-átomo, que captura átomos em uma grade de luz laser.

p "A promessa de longo prazo do design da pinça como um relógio competitivo está enraizada no equilíbrio único desses recursos, "Disse o físico e líder do projeto do JILA / NIST, Adam Kaufman.

p Os relógios atômicos de última geração estabilizam a cor, ou frequência, de um laser para átomos "marcando" entre dois níveis de energia. O relógio da pinça captura e controla os átomos individualmente para manter a estabilidade do tique-taque e detecta esse comportamento sem perdê-los, e, portanto, pode reutilizar os mesmos átomos muitas vezes sem a necessidade de recarregar constantemente novos.

p "O design da pinça aborda vários problemas com outros relógios atômicos, "Kaufman disse." Usando nossa técnica, podemos reter átomos e reutilizá-los por até 16 segundos, o que melhora o ciclo de trabalho - a fração de tempo gasto usando o tique-taque dos átomos para corrigir a frequência do laser - e a precisão. O relógio da pinça também pode inserir um único átomo muito rapidamente em um local de armadilha, o que significa que há menos interferência e você obtém um sinal mais estável por mais tempo. "

p Pesquisadores do NIST e JILA vêm construindo relógios atômicos de última geração há muitos anos. Esses relógios operam em frequências ópticas, que são muito mais elevados do que os padrões de tempo atuais com base nas frequências de micro-ondas. A pesquisa está ajudando a se preparar para a futura redefinição internacional do segundo, que tem sido baseado no átomo de césio desde 1967. Os relógios ópticos também têm aplicações além da medição do tempo, como medir a forma da Terra com base em medições de gravidade (chamadas de geodésia), em busca da indescritível matéria escura que se pensa constituir a maior parte da matéria do universo, e aprimoramento das ciências da informação quântica.

p Para criar o relógio da pinça, um feixe de laser infravermelho é direcionado a um microscópio e focado em um pequeno ponto. Ondas de rádio em 10 frequências diferentes são aplicadas sequencialmente a um defletor especial para criar 10 pontos de luz para capturar átomos individuais. As armadilhas são recarregadas a cada poucos segundos a partir de uma nuvem de átomos pré-resfriada sobreposta à luz da pinça.

p Os átomos mantidos pela pinça são excitados por um laser estabilizado por uma cavidade de cristal de silício, em que a luz salta para frente e para trás em uma frequência específica. Esta luz "laser de relógio" - fornecida pelo co-autor e laboratório do NIST / JILA Fellow Jun Ye - é aplicada perpendicularmente à luz da pinça, junto com um campo magnético aplicado. A imagem não destrutiva revela se os átomos estão funcionando corretamente; os átomos apenas emitem luz, ou fluorescente, quando no estado de baixa energia.

p Muitos átomos no sistema podem levar a colisões que desestabilizam o relógio, então, para se livrar de átomos extras, os pesquisadores aplicam um pulso de luz para criar moléculas fracamente ligadas, que então se separam e escapam da armadilha. Os sites de pinça ficam com um átomo ou vazios; com cada execução do experimento, cada pinça tem cerca de 50% de chance de estar vazia ou conter um único átomo. Ter no máximo um átomo por local mantém o tique-taque estável por longos períodos.

p Como pinças de metal comuns, as pinças a laser oferecem controle preciso, que permite aos pesquisadores variar o espaçamento entre os átomos e ajustar suas propriedades quânticas. Kaufman já havia usado pinças ópticas para "emaranhar" dois átomos, um fenômeno quântico que liga suas propriedades mesmo à distância. As pinças são usadas para excitar os átomos, de forma que seus elétrons fiquem mais fracamente ligados ao núcleo. Esse estado "fofo" torna mais fácil prender os átomos em estados magnéticos internos opostos, chamados de spin para cima e para baixo. Então, um processo chamado troca de spin emaranha os átomos. Estados quânticos especiais, como o emaranhamento, podem melhorar a sensibilidade da medição e, portanto, aumentar a precisão do relógio.

p A equipe de pesquisa agora planeja construir um relógio maior e avaliar formalmente seu desempenho. Especificamente, os pesquisadores planejam usar mais pinças e átomos, com um alvo de cerca de 150 átomos. Kaufman também planeja adicionar emaranhamento, o que poderia melhorar a sensibilidade e o desempenho do relógio e, em um aplicativo separado, talvez forneça uma nova plataforma para simulação e computação quântica.