O relógio atômico vem em muitas variedades. Alguns são eletrônicos do tamanho de chips, desenvolvidos para os militares, mas disponíveis comercialmente agora, enquanto relógios atômicos maiores e mais precisos monitoram o tempo em satélites GPS. Mas todos os relógios atômicos funcionam no mesmo princípio. Átomos puros - alguns relógios usam césio, outros usam elementos como o rubídio - têm um certo número de elétrons de valência, ou elétrons na camada externa de cada átomo. Quando os átomos são atingidos por uma freqüência específica de radiação eletromagnética (ondas de luz ou microondas, por exemplo), os elétrons de valência transitam entre dois estados de energia.
Na década de 1960, os cientistas se afastaram da medição do tempo com base nas órbitas e rotações dos corpos celestes e começaram a usar esses relógios com base nos princípios da mecânica quântica. Pode parecer uma maneira estranha de medir o tempo, mas a duração de um número específico de oscilações, ou "carrapatos", em uma onda de radiação eletromagnética é o método oficial pelo qual os cientistas definem o segundo. Especificamente, um segundo é a duração de 9.192.631.770 oscilações de um laser de microondas que fará com que os átomos de césio transitem.
Mas temos relógios atômicos ainda melhores que os que medem o césio.
"Se nossos dois relógios de itérbio tivessem sido iniciados no começo do universo, neste momento eles discordariam um do outro em menos de um segundo", diz William McGrew, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). ), em um email.
O relógio atômico de treliça de itérbio ultra estável do NIST. Os átomos de itérbio são gerados em um forno (grande cilindro de metal à esquerda) e enviados para uma câmara de vácuo no centro da foto a ser manipulada e sondada por lasers. A luz do laser é transportada para o relógio por cinco fibras (como a fibra amarela no centro inferior da foto). (James Burrus / NIST) Os relógios de itérbio no NIST, Yb-1 e Yb-2, são um tipo único de relógio atômico conhecido como relógio óptico de rede. Essencialmente, os relógios usam radiação eletromagnética na freqüência ótica, ou lasers, para prender milhares de átomos de itérbio e fazer com que seus elétrons externos façam a transição entre um estado de energia do solo e um estado de energia excitada. Em comparação com o césio, é necessária uma freqüência mais alta de radiação eletromagnética para causar a transição do itérbio.
Todas as ondas eletromagnéticas, de ondas de rádio a raios gama, e toda a luz visível no meio, são o mesmo tipo de ondas formadas por fótons - a diferença é simplesmente que as ondas com frequências mais altas oscilam mais rapidamente. As microondas, que são usadas para fazer a transição do césio, são esticadas em comprimentos de onda mais longos e freqüências mais baixas do que a luz visível. Usar átomos que fazem a transição em freqüências mais altas é a chave para construir um relógio melhor. Enquanto um segundo é atualmente cerca de 9 bilhões de oscilações de um micro-ondas, a mesma duração de tempo seria representada por mais de 500 trilhões de oscilações de uma onda de luz visível, aumentando a capacidade dos cientistas de medir com precisão o tempo.
Se o laser de medição em um relógio de itérbio é discado exatamente na freqüência correta, os átomos de itérbio saltarão para o estado de energia excitada. Isso ocorre quando o laser está em uma frequência de exatamente 518.295.836.590.863, 6 Hertz - o número de "ticks" em um segundo.
"Isso corresponde a um comprimento de onda de 578 nanômetros, que parece amarelo ao olho", diz McGrew.
Novas medições com Yb-1 e Yb-2, lideradas pela equipe de McGrew no NIST, alcançaram novos recordes em três áreas-chave de precisão de medição, produzindo, em alguns aspectos, as melhores medidas do segundo já alcançado. Especificamente, os relógios estabelecem novos registros de incerteza sistemática, estabilidade e reprodutibilidade. As novas medições estão detalhadas em um artigo publicado hoje na revista Nature .
Os relógios ópticos de itérbio são ainda mais precisos nesses aspectos do que os relógios de fonte de césio usados para determinar a definição de um segundo. Os relógios de itérbio, tecnicamente, não são mais precisos do que os relógios de césio, pois a precisão é especificamente o quão próxima uma medida é da definição oficial, e nada pode ser mais preciso do que os relógios de césio nos quais a definição é baseada. Mesmo assim, a principal métrica aqui é a incerteza sistemática - uma medida de quão próximo o relógio percebe a oscilação natural, imperturbável, natural dos átomos de itérbio (a freqüência exata que faz com que eles transitem).
As novas medidas correspondem à frequência natural dentro de um erro de 1, 4 partes em 10 18, ou cerca de um bilionésimo de um bilionésimo. Os relógios de césio alcançaram apenas uma incerteza sistemática de cerca de uma parte em 1016 . Então, em comparação com os relógios de césio, as novas medições de itérbio "seriam 100 vezes melhores", diz Andrew Ludlow, físico do NIST e co-autor do artigo.
O desafio com esses tipos de medidas é lidar com fatores externos que podem afetar a frequência natural dos átomos de itérbio - e como essas são algumas das medições mais sensíveis já alcançadas, todo efeito físico do universo é um fator. "Quase tudo o que poderíamos pensar arbitrariamente agora, eventualmente, tem algum efeito sobre a freqüência de oscilação do átomo", diz Ludlow.
Os efeitos externos que alteram a freqüência natural dos relógios incluem radiação de corpos negros, gravidade, campos elétricos e ligeiras colisões dos átomos. “Gastamos muito do nosso tempo tentando cuidadosamente percorrer e… entender exatamente todos os efeitos que são relevantes para atrapalhar a taxa de clock do relógio - essa frequência de transição - e entrar e fazer medições daqueles nos átomos reais. para caracterizá-los e nos ajudar a descobrir o quão bem podemos realmente controlar e medir esses efeitos. ”
Para reduzir os efeitos desses fatores físicos naturais, os átomos de itérbio, que ocorrem naturalmente em alguns minerais, são primeiramente aquecidos até o estado gasoso. Em seguida, o resfriamento a laser é usado para reduzir a temperatura dos átomos de centenas de graus Kelvin para alguns milésimos de grau, e então ainda resfriado a temperaturas de cerca de 10 microelelvin, ou 10 milionésimos de grau acima do zero absoluto. Os átomos são então carregados em uma câmara de vácuo e ambiente de proteção térmica. O laser de medição é transmitido pelos átomos e refletido sobre si mesmo, criando a "rede" que prende os átomos em altas partes de energia de uma onda estacionária de luz, ao invés de uma onda em movimento, como um típico ponteiro laser.
Melhorar a “estabilidade” e a “reprodutibilidade” das medições, para as quais os relógios de itérbio também estabelecem novos registros, ajudam a explicar ainda mais as forças externas que afetam os relógios. A estabilidade dos relógios é essencialmente uma medida de quanto a frequência muda ao longo do tempo, que foi medida para Yb-1 e Yb-2 em 3, 2 partes em 1019 ao longo de um dia. A reprodutibilidade é uma medida de quão próximos os dois relógios se combinam, e através de 10 comparações, a diferença de freqüência entre Yb-1 e Yb-2 foi determinada como sendo inferior a um bilionésimo de um bilionésimo.
"É crucial ter dois relógios", diz McGrew. “A incerteza é caracterizada por examinar cada mudança que poderia mudar a frequência de transição. No entanto, há sempre a possibilidade de "incógnitas desconhecidas", mudanças que ainda não são compreendidas. Por ter dois sistemas, é possível verificar sua caracterização da incerteza, verificando se os dois sistemas independentes concordam uns com os outros ”.
Essa precisão no tempo de medição já é usada pelos cientistas, mas as aplicações práticas de medidas aprimoradas do segundo incluem avanços na navegação e nas comunicações. Embora ninguém soubesse disso na época, o trabalho inicial com relógios atômicos em meados do século 20 finalmente possibilitaria o Sistema de Posicionamento Global e todos os setores e tecnologias que dependessem dele.
“Eu não acho que eu poderia prever completamente quais aplicações em 20 ou 50 anos serão mais beneficiadas com isso, mas posso dizer que, ao olhar para trás na história, alguns dos impactos mais profundos dos relógios atômicos hoje não foram previstos, ”Ludlow diz.
Os lasers amarelos de um dos relógios ópticos de treliça de itérbio do NIST. (Nate Phillips / NIST) Os relógios de itérbio também poderiam ser usados em pesquisas avançadas de física, como a modelagem de campo gravitacional e a possível detecção de matéria escura ou ondas gravitacionais. Essencialmente, os relógios são tão sensíveis que qualquer interferência devido à mudança de gravidade ou outras forças físicas pode ser detectada. Se você posicionasse vários relógios de itérbio ao redor do mundo, poderia medir as mudanças mínimas em gravidade (que é mais forte perto do nível do mar e mais perto dos pólos), permitindo aos cientistas medir a forma do campo gravitacional da Terra com mais precisão do que nunca antes. Da mesma forma, uma interação com partículas de matéria escura, ou até possivelmente ondas gravitacionais afetando dois relógios espalhados, pode ser detectada.
“Cientificamente, já usamos essa incrível precisão hoje em dia para alguns desses estudos fundamentais da física - procurando por matéria escura, procurando variações das constantes fundamentais, procurando por violações em algumas das teorias de Einstein e outras coisas. (…) Se alguma vez descobrirmos violações [das leis da física] usando essas incríveis ferramentas de medição, isso poderia ser um enorme fator de mudança em nossa compreensão do universo e, portanto, como a ciência e a tecnologia evoluirão dali em diante. ”
Nos próximos 10 anos, é possível que as instituições científicas de medição do mundo decidam redefinir a segunda com base em um relógio óptico em vez de um relógio de césio. Tal redefinição é provavelmente inevitável, porque os lasers ópticos operam em frequências muito mais altas que as microondas, aumentando o número de “ticks” do relógio contido em um segundo. Uma medição de relógio itérbio seria um bom candidato para uma nova definição, mas os relógios óticos de treliça usando mercúrio e estrôncio também produziram resultados promissores, e os relógios óticos iônicos, que suspendem e fazem a transição de um único átomo, apresentam outra possibilidade intrigante para uma nova definição.
Essas medições dos fenômenos atômicos estão ficando cada vez mais precisas, e onde nossa compreensão evolutiva do tempo nos levará, é impossível saber.
