Físicos e colaboradores da JILA demonstraram a primeira "escala de tempo" da próxima geração - um sistema que incorpora dados de vários relógios atômicos para produzir um único sinal de cronometragem altamente preciso para distribuição. A escala de tempo JILA supera os melhores hubs existentes para divulgar a hora oficial em todo o mundo e oferece a possibilidade de fornecer uma hora mais precisa para milhões de clientes, como mercados financeiros e redes de computadores e telefones.

A nova arquitetura de escala de tempo combina um super-confiável, relógio atômico avançado com um dispositivo ultraestável para armazenar sinais de tempo e é um "modelo para a atualização das escalas de tempo em todo o mundo, "conforme descrito no jornal Cartas de revisão física .

A JILA é operada em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.

"Acho que essa nova demonstração de escala de tempo será muito importante para a redefinição do tempo no futuro, "disse Jun Ye, Membro do NIST / JILA e líder do projeto.

A recente redefinição do Sistema Internacional de Unidades (SI) não atualizou a forma como o tempo é medido. A unidade de tempo padrão, o segundo, tem sido baseado nas propriedades do átomo de césio desde 1967. Nos próximos anos, espera-se que a comunidade científica internacional redefina o segundo, selecionando um novo átomo como base para relógios atômicos padrão e cronometragem oficial.

Para se preparar para essa mudança, os pesquisadores precisam atualizar os sistemas de distribuição de tempo.

O NIST opera as escalas de tempo civis da nação, matrizes de masers de hidrogênio - versões de lasers de microondas - que fornecem sinais oscilantes confiáveis ​​para manter o "tique-taque" estável para o horário oficial do dia civil dos EUA, que está ligada à hora internacional (hora universal coordenada ou UTC). Dois relógios atômicos baseados no padrão de césio, chamado NIST-F1 e NIST-F2, são usados ​​para calibrar e garantir a precisão das escalas de tempo.

Como os relógios atômicos da próxima geração, A escala de tempo experimental da JILA opera inteiramente em frequências ópticas, que são muito mais altas do que as frequências de microondas dos padrões de tempo de césio. As frequências ópticas dividem o tempo em unidades menores e, portanto, podem oferecer maior precisão.

Os esforços para incorporar os mais recentes relógios atômicos ópticos em escalas de tempo de microondas mais antigas chegaram a limites na estabilidade de longo prazo, devido às propriedades inerentes dos masers e às flutuações associadas à ligação deles a relógios experimentais que operam de forma intermitente.

A equipe JILA resolveu esses problemas otimizando um tipo mais estável de oscilador e controlando rigidamente as condições de operação, como temperatura, para que seu relógio de estrôncio altamente estável e preciso possa ser operado regularmente sob demanda.

O oscilador é formado por um feixe de laser direcionado a uma cavidade oca feita de um único cristal de silício, dentro do qual luz laser de uma cor específica, ou frequência, salta para a frente e para trás regularmente por um longo tempo, como um metrônomo. Esses dispositivos já existem há anos, mas uma colaboração de longo prazo da JILA com Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), o instituto nacional de metrologia alemão, surgiu com uma nova maneira de construí-los, melhorando muito a estabilidade da luz. Recentemente, a equipe JILA impulsionou ainda mais a estabilidade de longo prazo de sua cavidade, que tem 21 centímetros de comprimento e opera a temperaturas criogênicas de 124 K (menos 149,15 C), usando ótica superpolida e controle de calor aprimorado, entre outros ajustes.

Na escala de tempo JILA, um pente de frequência óptica (uma régua para luz) transfere o sinal óptico estável desta cavidade para outra, laser muito estável que brilha nos átomos do relógio e sincroniza a frequência da luz com seu tique-taque. Dois lasers adicionais são estabilizados em cavidades independentes. Os vários lasers e cavidades fornecem redundância em caso de mau funcionamento.

A estabilidade do oscilador foi comparada continuamente à da escala de tempo de microondas do NIST por uma ligação de fibra óptica subterrânea preexistente entre JILA, no campus da universidade, e NIST, a uma milha ou mais de distância. Mais de um mês de medições, a estabilidade de frequência do oscilador óptico ultrapassou consistentemente a dos masers na escala de tempo de microondas.

Os resultados experimentais mostram que a arquitetura de escala de tempo JILA supera escalas de tempo de microondas, mesmo quando os masers são calibrados por relógios atômicos de próxima geração. A análise da equipe indica que, executando o relógio óptico JILA 50% do tempo, a escala de tempo totalmente óptica pode atingir um nível de estabilidade cerca de 10 vezes melhor do que a escala de tempo de micro-ondas padrão, ou 1 × 10 ^-17 , após alguns meses de cálculo da média.

Uma outra vantagem prática é que a frequência do oscilador pode ser prevista usando técnicas convencionais de análise de microondas, permitindo à equipe estimar um erro de tempo de apenas 48 ± 94 picossegundos (trilionésimos de segundo) após 34 dias de operação.

Atualizações técnicas adicionais estão planejadas, incluindo automação que deve permitir que o relógio seja operado mais de 50% do tempo. Os pesquisadores também planejam incorporar o sinal da escala de tempo óptica na escala de tempo do NIST usando a rede de fibra subterrânea.