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No ano passado, cientistas subiram o vulcão Mauna Loa no Havaí, apontaram um laser para um refletor posicionado no pico Haleakala em Maui e emitiram pulsos rápidos de luz laser por 150 quilômetros de ar turbulento. Embora os pulsos fossem extremamente fracos, eles demonstraram uma capacidade há muito procurada pelos físicos: transmitir sinais de tempo extremamente precisos pelo ar entre locais distantes em potências compatíveis com futuras missões espaciais.
Os resultados, obtidos por uma equipe que inclui cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), podem permitir a transferência de tempo do solo para satélites a 36.000 quilômetros de distância em órbita geossíncrona, onde ficam estacionários acima de um ponto na superfície da Terra. O método permitiria essa sincronização de tempo com precisão de femtossegundos – 10.000 vezes melhor do que as abordagens de satélite de última geração existentes. Também permitiria uma sincronização bem-sucedida usando a intensidade mínima do sinal de temporização, o que tornaria o sistema altamente robusto diante de distúrbios atmosféricos.
A coordenação de matrizes de dispositivos distantes nesse grau substancialmente mais alto oferece várias possibilidades intrigantes. Embora os relógios atômicos ópticos mais recentes sejam extraordinariamente precisos, comparar relógios separados por continentes requer um método de sinalização que possa transmitir essa precisão por grandes distâncias, e os métodos atuais baseados em micro-ondas não fornecem a fidelidade necessária. A nova abordagem pode permitir que relógios ópticos em lados opostos do planeta sejam conectados por meio de um satélite geossíncrono sem qualquer penalidade, suportando a futura redefinição do segundo SI para um padrão óptico. Vincular relógios atômicos ópticos em todo o mundo também pode levar a uma série de medições físicas fundamentais, desde a exploração da matéria escura até o teste da relatividade geral.
Nem todas as possibilidades exigiriam relógios atômicos ópticos: a capacidade de sincronizar uma matriz de sensores amplamente separados poderia avançar a interferometria de linha de base muito longa (VLBI) para aplicações como a imagem aprimorada de buracos negros.
“Esse tipo de sensoriamento coerente distribuído seria sem precedentes”, disse Laura Sinclair, física do campus de Boulder do NIST e autora do trabalho de pesquisa da equipe, publicado hoje na revista Natureza. “Prevemos usar essas matrizes de sensores para observar o espaço e a Terra. A implementação dessas matrizes depende da conexão de relógios ópticos altamente precisos, e nossos resultados indicam que agora temos uma ferramenta capaz de fazer isso.”
O experimento mostrou que o sinal de tempo de alta frequência fornecido por um relógio óptico pode ser enviado e recebido pela mais recente criação da equipe, o pente de frequência programável por tempo, que é uma inovação na tecnologia de pente de frequência. Foi esse novo pente de frequência que tornou os resultados possíveis, disse Sinclair.
“A funcionalidade expandida do pente de frequência programável no tempo nos permite fazer essas medições”, disse Sinclair. “Não poderíamos ter obtido esses resultados sem ele.”
Um feixe de luz que viaja da Terra para a órbita geossíncrona precisa passar pelas camadas muitas vezes turvas e turvas de nossa atmosfera. Para demonstrar, em princípio, a capacidade do sinal de chegar a um satélite sem se perder no trânsito, a equipe montou seu novo pente de frequência e um refletor em duas montanhas distantes 150 km: no alto do flanco de Mauna Loa e no cume de Haleakala, ambos no Havaí. Enviar a luz de pente de frequência programável para Haleakala e receber a reflexão demonstrou que o sinal poderia penetrar em muito mais problemas atmosféricos do que encontraria viajando para a órbita geossíncrona.
A viagem de ida e volta não apenas foi bem-sucedida, mas também com a força mínima do sinal necessária para sincronizar dispositivos – uma intensidade que os físicos chamam de “limite quântico”. Como eles mostraram em seu trabalho anterior, o pente de frequência programável dos pesquisadores é capaz de operar neste limite quântico, onde menos de um fóton em um bilhão atinge seu dispositivo alvo. Funcionou mesmo quando o laser estava enviando apenas 40 microwatts de potência, ou cerca de 30 vezes menos do que um apontador laser usa. (Os pulsos do pente de frequência são de luz infravermelha, invisíveis a olho nu.)
“Queríamos levar o sistema ao seu limite e mostramos que você pode manter um alto nível de desempenho enquanto usa uma potência de transmissão e um tamanho de abertura que são realistas para futuros sistemas de satélite”, disse Sinclair. “A robustez deste sistema para operar bem não apenas quando recebemos menos de um bilionésimo da luz que transmitimos, mas também quando a quantidade de luz que perdemos está mudando rapidamente, é um bom presságio para formar a espinha dorsal de tempo das futuras redes de detecção”.
Olhando para o futuro, a equipe do NIST está trabalhando para reduzir o tamanho, peso e potência de seu sistema e adaptá-lo para trabalhar com plataformas móveis.
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