Átomos superradiantes superam limites de precisão na medição do tempo

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 29/04/2024

Um segundo mais preciso

Pesquisadores da Universidade de Copenhague, na Dinamarca, desenvolveram um novo método para medir o tempo, superando algumas das limitações que os relógios atômicos mais avançados da atualidade encontram.

O resultado deverá ter amplas implicações em áreas tão diferentes quanto viagens espaciais, sistemas GPS e monitoramento de erupções vulcânicas, além, é claro, da definição do segundo.

O segundo é a unidade de medida do Sistema Internacional definida com mais precisão, em comparação com outras unidades básicas, como quilograma, metro e grau Kelvin. Atualmente, o tempo é medido 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 de pulso.

O elemento chave para medir o tempo são as oscilações. Em um relógio antigo, essas oscilações resultam do balanço de um pêndulo de um lado para o outro, enquanto um relógio atômico usa as transições de energia em um átomo de estrôncio, que oscila cerca de um quatrilhão (10¹⁵) de vezes por segundo – via de regra, quanto menor é a oscilação, mais precisa é a medição do tempo.

Mas mesmo os relógios atômicos têm potencial para se tornar mais precisos 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, o que diminui a precisão.

“Como os átomos precisam constantemente ser substituídos por novos átomos, enquanto novos átomos estão sendo preparados o relógio perde tempo, mesmo que muito ligeiramente. Portanto, estamos tentando superar alguns dos desafios e limitações atuais dos melhores relógios atômicos do mundo, entre outras coisas, reutilizando os átomos para que não eles precisem ser substituídos com tanta frequência,” explicou o pesquisador Eliot Bohr.

Superrradiância esfria medição do tempo

A equipe desenvolveu uma forma inovadora e mais eficiente de medir o tempo tirando proveito da “superradiância”, um fenômeno regido pela mecânica quântica que ocorre quando um grupo de átomos alcança o entrelaçamento, passando a se comportar de “modo coletivo”, emitindo luz ao mesmo tempo.

A técnica atual consiste em injetar cerca de 300 milhões de átomos de estrôncio em uma bola extraordinariamente fria de átomos já frios, conhecida como armadilha magneto-óptica, ou MOT (Magneto-Optical Trap). A temperatura desses átomos é de aproximadamente -273 °C – muito próxima do zero absoluto – e há dois espelhos com um campo de luz entre eles para melhorar as interações entre os átomos.

“Quando os átomos pousam na câmara de vácuo, eles ficam completamente imóveis porque está muito frio, o que torna possível registrar as suas oscilações com os dois espelhos em extremidades opostas da câmara,” explicou Bohr. Agora, ele e seus colegas desenvolveram justamente um novo método prático para “ler” as oscilações desses átomos.

Graças ao fenômeno da superradiância, é possível evitar aquecer os átomos com o laser, bastando para isso colocá-los em entrelaçamento. “Os espelhos fazem com que os átomos se comportem como uma única unidade. Coletivamente, eles emitem um poderoso sinal de luz 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,” explicou Bohr.

Além de melhorar todas as aplicações que já usam relógios atômicos, como os satélites de posicionamento global, esta inovação pode ser útil no desenvolvimento de uma nova geração de relógios atômicos portáteis, 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,” propõe Bohr.

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