Os relógios atômicos são os cronometristas mais precisos do mundo. Esses instrumentos requintados usam lasers para medir as vibrações dos átomos, que oscilam em uma frequência constante, como muitos pêndulos microscópicos balançando em sincronia. Os melhores relógios atômicos do mundo marcam o tempo com tanta precisão que, se eles estivessem funcionando desde o início do universo, eles estariam desligados por apenas meio segundo hoje.

Ainda, eles poderiam ser ainda mais precisos. Se os relógios atômicos pudessem medir com mais precisão as vibrações atômicas, eles seriam sensíveis o suficiente para detectar fenômenos como matéria escura e ondas gravitacionais. Com melhores relógios atômicos, os cientistas também podem começar a responder a algumas perguntas alucinantes, como o efeito que a gravidade pode ter na passagem do tempo e se o próprio tempo muda à medida que o universo envelhece.

Agora, um novo tipo de relógio atômico projetado por físicos do MIT pode permitir que os cientistas explorem essas questões e, possivelmente, revelem uma nova física.

Os pesquisadores relatam na revista Natureza que eles construíram um relógio atômico que não mede uma nuvem de átomos oscilando aleatoriamente, como os designs de última geração medem agora, mas, em vez disso, átomos que foram quanticamente emaranhados. Os átomos estão correlacionados de uma forma que é impossível de acordo com as leis da física clássica, e isso permite aos cientistas medir as vibrações dos átomos com mais precisão.

A nova configuração pode atingir a mesma precisão quatro vezes mais rápido do que relógios sem emaranhamento.

"Os relógios atômicos ópticos aprimorados por emaranhamento terão o potencial de alcançar uma precisão melhor em um segundo do que os relógios ópticos de última geração, "diz o autor principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, um pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT.

Se relógios atômicos de última geração fossem adaptados para medir átomos emaranhados da mesma forma que a configuração da equipe do MIT faz, seu tempo iria melhorar de tal forma que, ao longo de toda a idade do universo, os relógios estariam a menos de 100 milissegundos de atraso.

Os outros co-autores do artigo do MIT são Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, e Vladan Vuletic, o Lester Wolfe Professor de Física.

Limite de tempo

Desde que os humanos começaram a rastrear a passagem do tempo, eles fizeram isso usando fenômenos periódicos, como o movimento do sol no céu. Hoje, vibrações nos átomos são os eventos periódicos mais estáveis ​​que os cientistas podem observar. Além disso, um átomo de césio oscilará exatamente na mesma frequência que outro átomo de césio.

Para manter o tempo perfeito, os relógios idealmente rastreariam as oscilações de um único átomo. Mas nessa escala, um átomo é tão pequeno que se comporta de acordo com as misteriosas regras da mecânica quântica:quando medido, ele se comporta como uma moeda lançada que, somente quando calculada a média de muitos lançamentos, fornece as probabilidades corretas. Essa limitação é o que os físicos chamam de Limite Quântico Padrão.

"Quando você aumenta o número de átomos, a média dada por todos esses átomos vai em direção a algo que dá o valor correto, "diz Colombo.

É por isso que os relógios atômicos de hoje são projetados para medir um gás composto por milhares do mesmo tipo de átomo, para obter uma estimativa de suas oscilações médias. Um relógio atômico típico faz isso usando primeiro um sistema de lasers para encurralar um gás de átomos ultracoolados em uma armadilha formada por um laser. Um segundo, laser muito estável, com uma frequência próxima à das vibrações dos átomos, é enviado para testar a oscilação atômica e, assim, controlar o tempo.

E ainda, o limite quântico padrão ainda está em funcionamento, o que significa que ainda há alguma incerteza, mesmo entre milhares de átomos, em relação às suas frequências individuais exatas. É aqui que Vuletic e seu grupo mostraram que o emaranhamento quântico pode ajudar. Em geral, o emaranhamento quântico descreve um estado físico não clássico, em que os átomos em um grupo mostram resultados de medição correlacionados, mesmo que cada átomo individual se comporte como o lançamento aleatório de uma moeda.

A equipe concluiu que, se os átomos estão emaranhados, suas oscilações individuais aumentariam em torno de uma frequência comum, com menos desvio do que se não estivessem emaranhados. As oscilações médias que um relógio atômico mede, Portanto, teria uma precisão além do Limite Quântico Padrão.

Relógios emaranhados

Em seu novo relógio atômico, Vuletic e seus colegas emaranham cerca de 350 átomos de itérbio, que oscila na mesma frequência muito alta que a luz visível, o que significa que qualquer átomo vibra 100, 000 vezes mais em um segundo do que o césio. Se as oscilações do itérbio podem ser rastreadas com precisão, os cientistas podem usar os átomos para distinguir intervalos de tempo cada vez menores.

O grupo usou técnicas padrão para resfriar os átomos e prendê-los em uma cavidade óptica formada por dois espelhos. Eles então enviaram um laser através da cavidade óptica, onde pingava entre os espelhos, interagindo com os átomos milhares de vezes.

"É como se a luz servisse como um elo de comunicação entre os átomos, "Shu explica." O primeiro átomo que vê esta luz irá modificar ligeiramente a luz, e essa luz também modifica o segundo átomo, e o terceiro átomo, e através de muitos ciclos, os átomos se conhecem coletivamente e começam a se comportar de maneira semelhante. "

Desta maneira, os pesquisadores emaranham os átomos de forma quântica, e então usar outro laser, semelhantes aos relógios atômicos existentes, para medir sua frequência média. Quando a equipe realizou um experimento semelhante sem átomos emaranhados, eles descobriram que o relógio atômico com átomos emaranhados atingiu a precisão desejada quatro vezes mais rápido.

"Você sempre pode tornar o relógio mais preciso medindo mais, "Vuletic diz." A questão é, quanto tempo você precisa para atingir uma certa precisão. Muitos fenômenos precisam ser medidos em escalas de tempo rápidas. "

Ele diz que se os relógios atômicos modernos de hoje podem ser adaptados para medir átomos emaranhados quânticos, eles não apenas manteriam um tempo melhor, mas eles podem ajudar a decifrar sinais no universo, como matéria escura e ondas gravitacionais, e comece a responder algumas perguntas antigas.

"À medida que o universo envelhece, a velocidade da luz muda? A carga do elétron muda? "Vuletic diz." Isso é o que você pode sondar com relógios atômicos mais precisos. "