Os pesquisadores desenvolveram um novo método de relógio atômico usando átomos superradiantes, que promete uma precisão sem precedentes na medição do tempo. Esse avanço, detalhado em Comunicações da Natureza, poderia melhorar a precisão do GPS, ajudar na navegação espacial e melhorar o monitoramento de vulcões e terremotos. Crédito: SciTechDaily.com
Os átomos superradiantes oferecem um método inovador para medir o tempo com um nível de precisão sem precedentes. Em um estudo recente publicado pela revista científica Comunicações da Natureza, pesquisadores da Universidade de Copenhague apresentam um novo método para medir o intervalo de tempo, segundos, que supera algumas das limitações que até os relógios atômicos mais avançados de hoje encontram. Este avanço pode ter amplas implicações em áreas como exploração espacial, monitoramento vulcânico e GPS sistemas.
A segunda, que é a unidade de medida definida com mais precisão, é atualmente medida 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.
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.
A bola luminosa no meio, chamada de “armadilha magneto-óptica” (MOT), consiste em aproximadamente 300 milhões de átomos de estrôncio suspensos em uma câmara de vácuo resfriada até um pouco acima do zero absoluto. Essa armadilha foi usada por pesquisadores para desenvolver novas técnicas de medição do tempo. Crédito: Eliot Bohr
No entanto, de acordo com o doutorando Eliot Bohr, do Instituto Niels Bohr, até mesmo 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, degradando assim 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 atuais desafios e limitações 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 Niels Bohr Institute quando fez a pesquisa, mas que agora é doutorando na Universidade do Colorado.
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 zero absoluto – e há dois espelhos com um campo de luz entre eles para melhorar as interações atômicas. Bohr e seus colegas de pesquisa desenvolveram 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.
Eliot Bohr (à esquerda) e o colega Sofus Laguna Kristensen iniciando os experimentos no Instituto Niels Bohr. Crédito: Ola J. Joensen, NBI.
A razão pela qual os investigadores não precisam de aquecer os átomos com um laser e destruí-los é graças a um fenómeno 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 unidade única. Coletivamente, eles emitem um poderoso sinal luminoso 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. Os cerca de 30 satélites que circulam constantemente a Terra e nos dizem onde estamos precisam de relógios atômicos 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”, disse Bohr.
Relógios atômicos mais precisos também poderiam ter um impacto significativo em futuras missões espaciais.
“Quando pessoas e naves são enviadas para o espaço, elas se aventuram ainda mais longe dos nossos satélites. Consequentemente, os requisitos para medições precisas de 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.
Embora muito promissor, Bohr enfatiza que este novo método de utilização de átomos superradiantes ainda é uma “prova de conceito” que precisa de mais refinamento.
Referência: “Leitura de Ramsey aprimorada coletivamente por transição de cavidade sub para superradiante” por Eliot A. Bohr, Sofus L. Kristensen, Christoph Hotter, Stefan A. Schäffer, Julian Robinson-Tait, Jan W. Thomsen, Tanya Zelevinsky, Helmut Ritsch e Jörg H. Müller, 5 de fevereiro de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-45420-x
