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Uma nova pesquisa sobre laser financiada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) está abrindo caminho para o desenvolvimento do relógio atômico mais preciso já construído.
Mesmo o pequeno desvio dos relógios atômicos mais precisos limita sua capacidade de permanecerem funcionais por longos períodos. Desenvolvimentos recentes combinaram a mais recente pesquisa japonesa sobre laser com o trabalho do Sandia Labs em bário, uma substância que não é usada em relógios atômicos há décadas, para abrir caminho para uma nova geração de dispositivos de cronometragem ultraprecisos.
A busca para construir um novo relógio atômico
O cientista do Sandia National Laboratories, Dan Thrasher, que lidera o projeto, diz que o bário foi usado pela última vez em relógios atômicos em 1985, antes de ele nascer. Os relógios atômicos comerciais modernos viram sua última grande inovação há duas décadas com o desenvolvimento do Chip Scale Atomic Clock (CSAC). Aproximadamente do tamanho de uma caixa de fósforos, é o menor dispositivo no mercado hoje. Internamente, ele opera por meio de um laser apontado para o elemento césio para manter um ritmo de cronometragem notavelmente estável, apesar de algum desvio eventual.
Esse desvio é onde os problemas ocorrem, pois esses CSACs são usados principalmente em vários dispositivos eletrônicos. Até mesmo uma pequena diferença de tempo pode perturbar a grade de informações em nosso mundo cada vez mais conectado. Portanto, esses relógios devem verificar periodicamente com um relógio de referência para evitar desvios muito distantes do tempo acordado, uma limitação significativa para sua operação independente.
Os CSACs foram demonstrados pela primeira vez em Sandia, e hoje, o laboratório ainda está forçando os limites. O interesse inicial de Thrasher era usar itérbio, em vez de bário, para desenvolver um sucessor do CSAC. Seu alvo era a miniaturização do relógio de íons de micro-ondas, que experimenta menos desvio do que o CSAC, mas ainda não foi desenvolvido em uma escala pequena o suficiente para uso em tais aplicações.
“A próxima geração de relógios atômicos compactos melhorará a precisão do tempo em plataformas com restrições de volume, como naves espaciais e veículos que não têm acesso constante a sistemas globais de navegação por satélite, como veículos subaquáticos usados para prospecção do fundo do mar”, disse Thrasher. O Debriefing em um e-mail, onde ele elaborou sobre o valor dessas tecnologias.
“No final das contas, eles podem ser aplicados em qualquer lugar que se beneficie de um tempo preciso, confiável e de baixo consumo de energia”, acrescentou.
Para tornar isso uma realidade, Thrasher começou a estudar artigos de pesquisa sobre laser, buscando um laser ultravioleta pequeno, porém estável e eficiente, que pudesse ser usado para tornar tal dispositivo funcional. No entanto, quando ele se deparou com o trabalho de uma equipe de pesquisa japonesa, ele descobriu algo que alterou a trajetória de seus planos.
Nova e promissora pesquisa sobre laser da Nichia
Anteriormente, a empresa japonesa Nichia já havia desenvolvido um laser azul-violento para uma aplicação separada: exibir informações visuais em óculos inteligentes. O trabalho anterior era uma boa combinação para as metas de estabilidade, tamanho e eficiência de Thrasher, mas era incompatível com o itérbio com o qual ele havia planejado trabalhar.
Ainda assim, o laser Nichia oferecia um laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL), o mesmo tipo usado em projetos CSAC. Além disso, o VCSEL era ideal para uso com bário, o elemento usado em relógios atômicos mais antigos.
Thrasher revelou que, embora tivesse algumas reservas sobre se afastar do Ytterbium, a qualidade do trabalho de Nichia o convenceu a seguir uma nova direção. “Há razões muito válidas para desconsiderar o bário. Mas temos o miado do gato da tecnologia laser no comprimento de onda certo, e isso por si só é motivação suficiente para tentarmos desenvolver isso”, ele disse recentemente disse. Thrasher apresentou o conceito de uma colaboração com o programa H6 da Nichia e da DARPA, e ele foi aprovado.
“A Nichia aceitou de bom grado a oferta da Sandia para apoiar seu estudo porque sentiu que este diodo laser compacto, de baixo consumo de energia e de frequência única seria uma tecnologia essencial para o pequeno relógio atômico que a Sandia está almejando”, um O porta-voz da Nichia disse sobre a colaboração.
Trabalhar em um relógio de laser de bário
Apesar da confiança inicial de Thrasher, o projeto ainda encontrou dificuldades no início. Durante os testes iniciais, o laser se deteriorou muito mais rápido do que o esperado. No entanto, esses resultados provaram ser enganosos em relação à vida útil geral do dispositivo. Uma vez que se percebeu que o laser tinha um tempo de “burn in” mais longo do que o esperado, tornou-se evidente que o laser poderia durar por um período prolongado uma vez estabilizado.
Um marco significativo foi alcançado em junho, quando Thrasher detectou íons de bário com o laser. Esta é a primeira vez que um VCSEL foi usado para detectar íons eletricamente carregados, já que o CSAC opera em íons neutros. Thrasher apresentou esses resultados no Fórum Europeu de Frequência e Tempo em Neuchâtel, Suíça. Embora um relógio ainda aguarde a construção, a detecção bem-sucedida de íons permite a validação de que o laser pode funcionar em tal dispositivo.
A pesquisa de Thrasher não apenas dá nova vida ao relógio de bário, mas seus resultados podem apontar para o uso futuro do laser Nichia na computação quântica, uma tecnologia que também depende da detecção de íons. Desenvolver um relógio comercial pode apresentar uma gama de benefícios adicionais, desde maior estabilidade da grade até missões de pesquisa mais longas.
Ryan Whalen cobre ciência e tecnologia para o The Debrief. Ele é bacharel em História e mestre em Biblioteconomia e Ciência da Informação com certificado em Ciência de Dados. Ele pode ser contatado em ryan@thedebrief.orge siga-o no Twitter @mdntwvlf.
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