Relógio ótico com base em íons de alumínio é o mais preciso do mundo

Nova ferramenta em fase experimental construída à base de íons de alumínio mostrou ser duas vezes mais precisa que o atual relógio de mercúrio.

taniager

09 Fevereiro 2010 | 16h56

O investigador do NIST Dr. James Chin-Chou Wen com o relógio mais preciso do mundo, baseado em vibrações de um único íon de alumínio (átomo eletricamente carregado). O íon é preso no interior do cilindro de metal (no centro à direita). (Crédito: J. Burrus / NIST)

O investigador do NIST Dr. James Chin-Chou Wen com o relógio mais preciso do mundo, baseado em vibrações de um único íon de alumínio (átomo eletricamente carregado). O íon é preso no interior do cilindro de metal (no centro à direita). (Crédito: J. Burrus / NIST)

Um novo relógio ótico, em fase experimental, construído à base de íons de alumínio mostrou ser duas vezes mais preciso que o atual relógio atômico de mercúrio.  Ele foi desenvolvido por físicos do National Institute of Standards and Technology (NIST).

O novo relógio com base em alumínio é tão preciso que precisaria operar por cerca de 3,7 bilhões de anos para conseguir ganhar ou perder um segundo. Ele é a segunda versão do relógio do NIST de “lógica quântica”, assim chamado porque toma emprestado o processo lógico usado para armazenar dados atômicos em computação quântica experimental – outro foco importante do mesmo grupo de investigação do NIST. Esta segunda versão do relógio lógico, que é o relógio ótico, oferece mais de duas vezes a precisão do original.

Para o Dr. James Chou, pesquisador do NIST que desenvolveu a maior parte das melhorias, os últimos resultados do experimento demonstram que o alumínio tem melhor desempenho para medir o tempo que o mercúrio. Além disso, os últimos resultados confirmam que os relógios óticos estão ampliando a sua liderança, em alguns aspectos, sobre o NIST-F1 – relógio de césio usado nos EUA como padrão de tempo civil –, e que atualmente atrasa ou adianta 1 segundo em cerca de 100 milhões de anos. Mas como a medida de tempo com base no césio ainda é o padrão seguido pelas normas de unidade de tempo do SI (International System of Units), supõe-se que nenhum outro relógio atômico possa ser mais preciso que o de césio.

Como funciona

O relógio ótico é baseado em um único íon de alumínio (átomos eletricamente carregados) preso por campos elétricos e vibrando em frequências de luz ultravioleta, que são frequências 100 mil vezes maiores que as de microondas utilizadas no NIST-F1, e em outros padrões de tempo semelhante ao redor do mundo.

Ele divide o tempo em unidades menores e pode chegar algum dia a padrões de tempo 100 vezes mais precisos que os de padrão de microondas de hoje. A alta frequência é uma das muitas variedades de fatores que permitem melhorar a precisão e a exatidão do tempo.

Os cientistas do NIST avaliaram o novo relógio lógico sondando o íon de alumínio com um laser para medir a frequência de ressonância exata em que o íon salta para um estado de maior energia, cuidadosamente contabilizando quaisquer desvios possíveis, tais como os causados por movimentos de íons. Nenhuma medida é perfeita, então a precisão do relógio é determinada com base em quão perto as medições repetidas podem se aproximar da exata frequência de ressonância do átomo. Quanto menor for o desvio do valor real da frequência de ressonância, maior será a precisão do relógio.

A armadilha de íons onde as principais ações do relógio ótico de alumínio ocorrem. O íon de alumínio e o íon de magnésio, localizados  na fenda, correm para baixo do centro do dispositivo entre os eletrodos. Crédito: J. Koelemeij / NIST

A armadilha de íons onde as principais ações do relógio ótico de alumínio ocorrem. O íon de alumínio e o íon de magnésio, localizados na fenda, correm para baixo do centro do dispositivo entre os eletrodos. Crédito: J. Koelemeij / NIST

Os físicos também avaliam o desempenho dos novos relógios óticos, comparando-os aos mais velhos. Neste caso, os cientistas do NIST compararam seus dois relógios lógicos utilizando a frequência laser de ressonância de um relógio para sondar o íon no outro relógio. Cinquenta e seis comparações independentes foram feitas, cada uma com duração entre 15 minutos e três horas.

Os dois relógios lógicos exibiram praticamente as mesmas taxas de “clock” – as diferenças somente apareceram quando as medições chegaram a 17 casas decimais. A concordância entre os dois relógios de alumínio é dez vezes mais próxima do que em qualquer comparação feita anteriormente entre dois relógios, e com a menor incerteza de medição jamais alcançada em tal avaliação.

O novo relógio lógico difere da versão original em diversas formas. Mais importante, ele usa um tipo diferente de “parceiro” de íons que permite operações mais eficientes. O alumínio é uma excepcional fonte estável de “clock” do relógio, mas as suas propriedades não são facilmente manipuladas ou detectadas com laser. No novo relógio, um íon de magnésio é usado para resfriar o alumínio e assinalar os seus “clocks”. A versão original do relógio usou berílio, um íon menor e mais leve que é um parceiro menos eficiente que o alumínio.

É por essa razão que os cientistas acreditam que o alumínio é um forte candidato a ser escolhido para o padrão de tempo na comunidade internacional futuramente. Eles estão trabalhando em cinco tipos diferentes de relógios óticos experimentais, cada um baseado em átomos diferentes e oferecendo suas próprias vantagens. A construção da segunda versão do NIST, versão independente do relógio lógico, prova que pode ser reproduzida tornando o relógio à base de alumínio um dos primeiros relógios óticos a conseguir esta distinção. Qualquer padrão de tempo terá de ser reproduzido em muitos laboratórios no futuro. 

Futuras aplicações para os relógios óticos 

Devido à precisão extrema, os relógios óticos têm uma gama muito grande de aplicações. Eles já fornecem medições no registro de possíveis alterações das “constantes” fundamentais da natureza, uma linha de investigação que tem implicações importantes para a cosmologia e os ensaios das leis da física, tais como as teorias da relatividade geral e especial de Einstein. A próxima geração de relógios pode levar a novos tipos de sensores de gravidade para explorar os recursos naturais subterrâneos e os estudos fundamentais da Terra. Outras aplicações possíveis podem incluir navegação autônoma de ultraprecisão, tais como aterrissagem de aviões por GPS.