Os átomos superradiantes podem nos ajudar a medir o tempo com mais precisão do que nunca. Num estudo recente, investigadores da Universidade de Copenhaga apresentam um novo método para medir o intervalo de tempo, o segundo, mitigando algumas das limitações que os relógios atómicos mais avançados da atualidade encontram. O resultado poderá ter amplas implicações em áreas como viagens espaciais, erupções vulcânicas e sistemas GPS.



A segunda é a unidade de medida definida com mais precisão, em comparação com outras unidades básicas, como quilograma, metro e grau Kelvin. Atualmente, o tempo é medido por relógios atômicos em diferentes lugares do mundo, que juntos nos dizem que horas são. Usando ondas de rádio, os relógios atômicos enviam continuamente sinais que sincronizam nossos computadores, telefones e relógios de pulso.

As oscilações são a chave para manter o tempo. Num relógio de pêndulo, estas oscilações resultam do balanço de um pêndulo de um lado para o outro a cada segundo, enquanto num relógio atómico, é um feixe de laser que corresponde a uma transição de energia no estrôncio e oscila cerca de um milhão de mil milhões de vezes por segundo.

Mas de acordo com o Ph.D. colega Eliot Bohr, do Instituto Niels Bohr – bisneto de Niels Bohr – até os relógios atômicos poderiam se tornar mais precisos. Isso ocorre porque o laser de detecção, usado pela maioria dos relógios atômicos modernos para ler a oscilação dos átomos, aquece tanto os átomos que eles escapam – o que degrada a precisão.

"Como os átomos precisam constantemente ser substituídos por novos átomos, enquanto novos átomos estão sendo preparados, o relógio perde um pouco o tempo. Portanto, estamos tentando superar alguns dos desafios e limitações atuais dos melhores relógios atômicos do mundo, , entre outras coisas, reutilizando os átomos para que não precisem ser substituídos com tanta frequência", explica Bohr, que trabalhava no Instituto Niels Bohr quando fez a pesquisa, mas que agora é Ph.D. bolsista da Universidade do Colorado.

Ele é o autor principal de um novo estudo publicado na revista Nature Communications , que utiliza uma forma inovadora e talvez mais eficiente de medir o tempo.

Superradiância e resfriamento até zero absoluto

A metodologia atual consiste em um forno quente que cospe cerca de 300 milhões de átomos de estrôncio em uma bola extraordinariamente fria de átomos frios conhecida como armadilha magneto-óptica, ou MOT. A temperatura desses átomos é de aproximadamente -273°C – muito próxima do zero absoluto – e há dois espelhos com um campo de luz entre eles para melhorar as interações atômicas. Juntamente com os seus colegas de investigação, Bohr desenvolveu um novo método para ler os átomos.

“Quando os átomos pousam na câmara de vácuo, ficam completamente imóveis porque está muito frio, o que permite registar as suas oscilações com os dois espelhos em extremidades opostas da câmara”, explica Bohr.

A razão pela qual os pesquisadores não precisam aquecer os átomos com um laser e destruí-los é graças a um fenômeno físico quântico conhecido como “superradiância”. O fenômeno ocorre quando o grupo de átomos de estrôncio se emaranha e ao mesmo tempo emite luz no campo entre os dois espelhos.

"Os espelhos fazem com que os átomos se comportem como uma única unidade. Coletivamente, eles emitem um poderoso sinal de luz que podemos usar para ler o estado atômico, uma etapa crucial para medir o tempo. Este método aquece minimamente os átomos, então tudo acontece sem substituir os átomos, e isso tem o potencial de torná-lo um método de medição mais preciso", explica Bohr.

GPS, missões espaciais e erupções vulcânicas

Segundo Bohr, o novo resultado da pesquisa pode ser benéfico para o desenvolvimento de um sistema GPS mais preciso. Na verdade, os cerca de 30 satélites que circulam constantemente a Terra e nos dizem onde estamos precisam de relógios atómicos para medir o tempo.

"Sempre que os satélites determinam a posição do seu telefone ou GPS, você está usando um relógio atômico em um satélite. A precisão dos relógios atômicos é tão importante que se esse relógio atômico estiver atrasado em um microssegundo, isso significa uma imprecisão de cerca de 100 metros na superfície da Terra", explica Bohr.

As futuras missões espaciais são outra área onde o investigador prevê que relógios atómicos mais precisos terão um impacto significativo.

“Quando pessoas e naves são enviadas para o espaço, aventuram-se ainda mais longe dos nossos satélites. Consequentemente, os requisitos para medições precisas do tempo para navegar no espaço são muito maiores”, diz ele.

O resultado também poderia ser útil no desenvolvimento de uma nova geração de relógios atômicos portáteis menores que poderiam ser usados ​​para mais do que “apenas” medir o tempo.

“Os relógios atômicos são sensíveis às mudanças gravitacionais e podem, portanto, ser usados ​​para detectar mudanças na massa e na gravidade da Terra, e isso poderia nos ajudar a prever quando ocorrerão erupções vulcânicas e terremotos”, diz Bohr.

Bohr enfatiza que embora o novo método que utiliza átomos superradiantes seja muito promissor, ainda é uma “prova de conceito” que precisa de mais refinamento.

A pesquisa foi conduzida pela equipe de Jörg Helge Müller e Jan Thomsen do Instituto Niels Bohr, em colaboração com Ph.D. os alunos Sofus Laguna Kristensen e Julian Robinson-Tait, e o pós-doutorado Stefan Alaric Schäffer. O projeto também incluiu contribuições dos teóricos Helmut Ritsch e Christoph Hotter, da Universidade de Innsbruck, bem como de Tanya Zelevinsky, da Universidade de Columbia. Este trabalho ressalta a importância da colaboração internacional nas ciências.

Mais informações: Eliot A. Bohr et al, Leitura de Ramsey aprimorada coletivamente por transição sub-para superradiante de cavidade, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45420-x
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Copenhague