O National Institute of Standards and Technology (NIST) estabeleceu um novo recorde para o relógio mais preciso do mundo. A equipa de investigadores melhorou o seu relógio atómico baseado num ião de alumínio aprisionado, alcançando uma precisão sem precedentes de 19 casas decimais.
Os relógios ópticos são avaliados em termos de precisão (proximidade do tempo ideal ou incerteza sistemática) e estabilidade (eficiência na medição do tempo, ou incerteza estatística). Este novo marco é fruto de 20 anos de evolução do relógio de ião de alumínio, que agora é 41% mais preciso do que o recordista anterior e 2,6 vezes mais estável do que qualquer outro relógio de iões.
Tecnologia de ponta e inovação contínua
O sucesso deve-se a melhorias em todos os componentes do sistema, desde os lasers até à armadilha de iões e à câmara de vácuo. “É emocionante trabalhar no relógio mais preciso de sempre”, afirmou Mason Marshall, investigador principal do estudo, publicado na Physical Review Letters.
O ião de alumínio apresenta um “tic-tac” extremamente estável, superando até o césio, actualmente utilizado na definição científica do segundo. Além disso, é menos sensível a variações de temperatura e campos magnéticos. Contudo, como o alumínio é difícil de controlar com lasers, a equipa utiliza magnésio para o arrefecer e ler o seu estado, num processo conhecido como espectroscopia lógica quântica. “O magnésio não tem a frequência estável do alumínio, mas é facilmente controlado com lasers e funciona como ‘buddy system’”, explicou Willa Arthur-Dworschack, doutoranda envolvida no projecto.
Superando desafios de engenharia
O design da armadilha de iões foi redesenhado com um wafer de diamante mais espesso e revestimentos de ouro melhorados, reduzindo o excesso de micromovimento que comprometia a precisão do relógio. Para resolver outro problema, a equipa substituiu a câmara de vácuo de aço por titânio, reduzindo a presença de hidrogénio em 150 vezes e permitindo que o relógio operasse durante dias sem reabastecer os iões.
Laser ultrastável reforça a estabilidade
Outro avanço crucial foi a utilização de um dos lasers mais estáveis do mundo, desenvolvido pelo laboratório de Jun Ye no JILA (instituto conjunto da NIST e da Universidade do Colorado Boulder). O laser foi transferido por fibra óptica para o NIST, permitindo prolongar o tempo de medição dos iões de 150 milissegundos para um segundo completo, aumentando drasticamente a estabilidade do relógio e reduzindo o tempo necessário para alcançar 19 casas decimais de três semanas para apenas um dia e meio.
Impacto para a redefinição do segundo e física fundamental
Este novo recorde coloca o relógio de ião de alumínio na vanguarda do esforço internacional para redefinir o segundo com maior precisão, abrindo portas a avanços científicos e tecnológicos, como novas medições de geodesia terrestre e exploração de física além do Modelo Padrão, incluindo a hipótese de que as constantes fundamentais da natureza possam não ser fixas.
“Com esta plataforma, estamos prontos para explorar novas arquitecturas de relógio, como o aumento do número de iões ou o seu emaranhamento quântico, para melhorar ainda mais a nossa capacidade de medição”, concluiu Arthur-Dworschack.
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