Um relógio de rede óptica baseado em átomos de estrôncio atinge precisão sem precedentes

Pesquisadores do Ye Lab no JILA (o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e a Universidade do Colorado em Boulder) e na Universidade de Delaware criaram recentemente um relógio de rede óptica altamente preciso baseado em átomos de estrôncio presos. Seu relógio, apresentado em um Cartas de revisão física artigo, exibe uma incerteza sistemática total de 8,1 x 10^-19que é a menor incerteza relatada até o momento.

“Este artigo surgiu de uma busca de décadas no laboratório Ye para construir os melhores relógios”, disse Alexander Aeppli, coautor do artigo, ao Phys.org. “Medir o tempo é uma tarefa fundamental na física, e cada avanço na precisão e exatidão da medição abre a porta para estudar novos fenômenos e criar novas tecnologias.”

A maioria das tecnologias de cronometragem existentes mede especificamente o período durante o qual um elétron oscila em um átomo de césio. Esses instrumentos são conhecidos como “relógios atômicos de micro-ondas”, pois as frequências das oscilações que eles medem estão na banda de micro-ondas, assemelhando-se às frequências de oscilações eletromagnéticas dentro de um forno de micro-ondas.

“Muitos relógios atômicos recentes, incluindo o nosso, usam uma transição ‘óptica’, onde a frequência da oscilação é similar à frequência da luz visível”, explicou Aeppli. “Usar uma frequência muito mais alta é semelhante a usar uma régua com tiques mais finos, subdividindo um segundo a mais e permitindo imediatamente uma cronometragem mais precisa.”

Grande parte da pesquisa recente realizada no Ye Lab no JILA teve como objetivo desenvolver relógios atômicos que pudessem medir o tempo com alta precisão. O estudo mais recente de Aeppli e seus colegas se baseia no progresso feito tanto no Ye Lab quanto em outros institutos ao redor do mundo, que destacaram o potencial de construir relógios de rede óptica precisos usando átomos de estrôncio.

“Um relógio típico tem três componentes: um oscilador, um contador e uma referência”, disse Aeppli. “Em um relógio de pêndulo clássico, o oscilador é um pêndulo que balança para frente e para trás, uma vez por segundo. Um conjunto de engrenagens conta essa oscilação e avança os ponteiros de segundos, minutos e horas. Finalmente, a referência é a posição do sol no céu, onde meio-dia é quando o sol está diretamente acima.”

Os relógios de rede óptica operam usando os mesmos três princípios dos relógios convencionais. No entanto, neste tipo de relógio, o oscilador, o contador e a referência de frequência assumem uma forma muito diferente.

Em relógios de rede óptica, o oscilador é composto de um laser ultraestável, enquanto o contador é um chamado pente de frequência (ou seja, um instrumento para medir frequências ópticas registrando a taxa de repetição de uma sequência contínua de pulsos de luz). A referência de frequência, por outro lado, consiste em átomos presos, que no relógio da equipe são especificamente átomos de estrôncio.

“O pente de frequência é estabilizado para o laser, e o laser é estabilizado para uma transição eletrônica específica nos átomos de estrôncio”, disse Aeppli.

“A cada poucos segundos, nós iluminamos os átomos com o laser por 2,4s. Se o laser se desviou da ressonância atômica, nós corrigimos esse desvio. O pente de frequência converte frequências ópticas em frequências de micro-ondas, e a beleza desse dispositivo é que a estabilidade da frequência de micro-ondas é a mesma das frequências ópticas.”

Após o pente de frequência converter frequências ópticas em frequências de micro-ondas, os períodos dessas frequências são analisados ​​por eletrônica simples para produzir 1 segundo, que está fundamentalmente ligado à frequência da transição de estrôncio. No relógio desenvolvido por Aeppli e seus colegas, os átomos de estrôncio são presos dentro de uma onda estacionária de luz produzida por dois espelhos.

“Assim como em uma rede, os átomos são confinados a essa luz de forma periódica, com um aglomerado de alguns átomos localizados a cada 0,5 um”, explicou Aeppli.

“Essa tecnologia nos permite capturar cem mil átomos de estrôncio por vez, o que significa que toda vez que fazemos uma medição da frequência de transição do estrôncio, podemos medir simultaneamente muitos átomos, dando uma medição muito precisa. Isso contrasta com relógios ópticos iônicos que usam uma transição eletrônica dentro de um único íon capturado, o que significa que cada medição é muito mais ruidosa.”

Embora relógios de rede óptica tenham sido descobertos anteriormente para manter o tempo com precisão excepcional, eles também podem vir com limitações. Especificamente, seu design subjacente baseado na captura de luz pode afetar sua precisão, pois pode mudar a frequência de transição.

Comparado aos relógios de rede óptica propostos anteriormente, o relógio introduzido por Aeppli e seus colegas utiliza captura de luz de menor intensidade, o que aumenta significativamente sua precisão.

“Muitas das nossas conquistas neste trabalho são relativamente técnicas”, disse Aeppli. “Uma das maiores mudanças nos relógios de rede óptica de estrôncio vem das interações com a emissão térmica do ambiente ao redor. Agora, somos mais capazes de caracterizar esse efeito e entender como ele muda a frequência de transição natural do átomo de estrôncio.”

O trabalho desta equipe de pesquisadores destaca o enorme potencial dos relógios de rede óptica baseados em átomos de estrôncio, sugerindo que eles poderiam talvez até mesmo contribuir para a redefinição do segundo SI. Aeppli e seus colegas esperam que suas descobertas informem estudos futuros nesta área, abrindo caminho para o desenvolvimento de relógios cada vez mais precisos.

“Em uma escala mais ampla, esperamos que nosso trabalho mostre que há um caminho contínuo para fazer relógios mais precisos, e ainda não vimos nenhum limite fundamental para a precisão dos relógios”, disse Aeppli.

“Embora tenhamos construído um relógio com excelente precisão, ainda precisamos usá-lo para dizer as horas. No entanto, é importante comparar relógios para entender suas limitações. Como no passado, estamos atualmente trabalhando com colegas do National Institute of Standards and Technology (NIST) para comparar com suas plataformas.”

Pesquisadores do Laboratório Ye estão atualmente realizando vários outros experimentos com relógios, cada um dos quais tem como objetivo desenvolver abordagens para construir relógios atômicos mais avançados.

Duas abordagens promissoras que eles estão explorando envolvem o uso do emaranhamento quântico para reduzir o ruído associado à medição da frequência de transição e o uso de uma transição nuclear, que pode produzir precisões ainda melhores.

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