Em um avanço significativo em direção à futura redefinição da unidade internacional de tempo, o segundo, uma equipe de pesquisa liderada pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) comparou três dos principais relógios atômicos do mundo com precisão recorde em links de ar e de fibra óptica.

Descrito na edição de 25 de março de Natureza , o trabalho liderado pelo NIST é o primeiro a comparar três relógios, com base em diferentes átomos, e o primeiro a conectar os relógios atômicos mais avançados em diferentes locais no ar. Essas comparações do relógio atômico colocam a comunidade científica um passo mais perto de cumprir as diretrizes para a redefinição do segundo.

"Essas comparações estão realmente definindo o estado da arte para medições baseadas em fibra e de espaço livre - todas elas são quase 10 vezes mais precisas do que quaisquer comparações de relógio usando diferentes átomos realizadas até agora, "O físico do NIST, David Hume, disse.

As novas medições foram desafiadoras porque os três tipos de átomos envolvidos "marcam" em frequências muito diferentes, porque todos os muitos componentes de rede tiveram que operar com extrema precisão, e porque o link sem fio exigia tecnologia e design a laser de ponta.

O estudo comparou o relógio de íons de alumínio e o relógio de rede de itérbio, localizado em diferentes laboratórios no NIST Boulder, com o relógio de estrutura de estrôncio localizado a 1,5 km de distância em JILA, um instituto conjunto do NIST e da University of Colorado Boulder. As medições da equipe foram tão precisas que as incertezas foram de apenas 6 a 8 peças em 10 ¹⁸ -isso é, os erros nunca excederam 0,000000000000000008 - para links de fibra e sem fio.

Os pesquisadores do NIST descreveram anteriormente como eles transferiram sinais de tempo pelo link aéreo entre dois dos relógios, os relógios de itérbio NIST e estrôncio JILA, e descobri que o processo funcionou tão bem quanto o método à base de fibra e 1, 000 vezes mais precisamente do que os esquemas de transferência sem fio convencionais. Este trabalho mostra como os melhores relógios atômicos podem ser sincronizados em locais remotos na Terra e, à medida que os sinais de tempo são transferidos por distâncias mais longas, mesmo entre espaçonaves.

A chave para a ligação aérea era o uso de pentes de frequência óptica, que permitem comparações precisas de frequências amplamente diferentes. Os pesquisadores do NIST desenvolveram métodos de transferência bidirecionais para comparar precisamente os relógios ópticos no ar, mesmo em condições de turbulência atmosférica e vibrações de laboratório. A técnica de transferência de sinal baseada em pente foi demonstrada anteriormente, mas o trabalho mais recente foi o primeiro a comparar relógios atômicos de última geração.

Desde 1967, o segundo foi definido com base no átomo de césio, que ataca em uma freqüência de micro-ondas. Os relógios atômicos usados ​​nas novas comparações funcionam em frequências ópticas muito mais altas, que dividem o tempo em unidades menores e, portanto, oferecem maior precisão. As comparações são cruciais para a seleção pela comunidade internacional de um ou mais átomos como o próximo padrão.

Os novos resultados NIST relatados em Natureza também estabeleceu outros recordes importantes. A frequência é a quantidade única medida com mais precisão na ciência. A equipe do NIST mediu as taxas de frequência, as relações quantitativas entre as frequências dos átomos medidas em três pares (itérbio-estrôncio, itérbio-alumínio, alumínio-estrôncio). Os resultados são as três medições mais precisas já feitas de constantes naturais. As relações de frequência são consideradas constantes e são usadas em alguns padrões internacionais e testes de teorias físicas fundamentais.

As relações de frequência oferecem uma vantagem importante como uma métrica para avaliar relógios atômicos ópticos. Uma medição direta de uma frequência de relógio óptico nas unidades usuais de Hertz é limitada pela precisão do padrão internacional atual, o relógio de microondas de césio. As taxas de frequência superam essa limitação porque não são expressas em nenhuma unidade.

As taxas de frequência são geralmente medidas em longas distâncias por meio de redes de fibra, que são poucos e distantes entre si, ou, em alguns casos, com dados de microondas transferidos por links de satélite, que tendem a ser instáveis.

Diretrizes para redefinição do segundo recomendam a demonstração e verificação de medições de razão de frequência múltipla com incertezas se aproximando do melhor desempenho do relógio óptico. Todos os três tipos de relógios no novo estudo oferecem um desempenho superlativo agora e prometem melhorias adicionais. Relógios de itérbio do NIST, por exemplo, representam a frequência natural dos átomos (um valor conhecido como incerteza sistemática) dentro de um erro possível de apenas 1,4 partes em 10 ¹⁸ - cerca de um bilionésimo de um bilionésimo.

Novas medições de razão de frequência do NIST, durante a configuração do recorde, não são tão bons ainda. Mas a equipe de pesquisa está trabalhando para melhorar a estabilidade da medição e o desempenho do relógio, Disse Hume.

Além de seu papel na próxima geração de padrões internacionais, relógios atômicos ópticos podem ser usados ​​como sondas sensíveis para a nova física, como a "matéria escura" que se acredita constituir a maior parte das coisas no universo. As aplicações tecnológicas para relógios ópticos incluem sistemas aprimorados de cronometragem e navegação e medição da forma gravitacional da Terra (geodésia).