O físico Jian-Wei Pan e seus colegas alcançaram um marco importante na redefinição do segundo.
Físicos criaram uma maneira de sincronizar o tique-taque de dois relógios no ar com extrema precisão, em uma distância recorde de 113 quilômetros.
A façanha é um passo para redefinir o segundo usando relógios ópticos – cronometristas que são 100 vezes mais precisos do que os relógios atômicos nos quais o tempo universal coordenado (UTC) se baseia atualmente.
Os metrologistas esperam usar relógios ópticos para redefinir o segundo em 2030. Mas um obstáculo no caminho é a necessidade de encontrar uma maneira confiável de transmitir sinais entre relógios ópticos em laboratórios em diferentes continentes, para comparar suas saídas. Na prática, isso provavelmente significará transmitir a hora dos relógios através do ar e do espaço, para satélites. Mas isso é um desafio porque a atmosfera interfere nos sinais.
Uma equipe liderada por Jian-Wei Pan, físico da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei, conseguiu enviar pulsos precisos de luz laser entre relógios em estações a 113 quilômetros de distância na província chinesa de Xinjiang. Este é sete vezes o recorde anterior de 16 quilômetros.
O resultado, publicado na Nature em 5 de outubro, é “excelente”, diz David Gozzard, físico experimental da Universidade da Austrália Ocidental em Perth. Alcançar um nível tão alto de sincronização nessa distância do ar representa “um progresso significativo na capacidade de fazer isso entre um satélite e o solo”, acrescenta.
A sincronização de relógios hiperprecisos em locais de difícil acesso também pode ter vantagens em outras áreas da pesquisa, diz Tetsuya Ido, diretor do Laboratório de Padrões do Espaço-Tempo do Radio Research Institute em Tóquio. Por exemplo, os relógios poderiam ser usados para testar a teoria geral da relatividade, que diz que o tempo deve passar mais devagar em lugares onde a gravidade é mais forte, como em baixas altitudes. Comparar o tique-taque de dois relógios ópticos pode até revelar mudanças sutis nos campos gravitacionais causadas pelo movimento de massas – por exemplo, pela mudança de placas tectônicas – diz ele.
Relógios de última geração
Desde 1967, o segundo foi definido por relógios atômicos usando átomos de césio-33: um segundo é o tempo que leva para percorrer 9.192.631.770 oscilações da radiação de microondas que os átomos absorvem e emitem quando alternam entre certos estados. Hoje, os relógios ópticos usam o ‘tique-taque’ de alta frequência de elementos como estrôncio e itérbio, o que lhes permite dividir o tempo em frações ainda mais finas.
No entanto, a hora oficial não pode ser gerada usando apenas um relógio. Os metrologistas devem calcular a média da produção de centenas de relógios em todo o mundo. Para relógios de césio, o tempo pode ser transmitido através de sinais de micro-ondas, mas a radiação de micro-ondas é de frequência muito baixa para transmitir o tique-taque de alta frequência dos relógios ópticos.
Enviar sinais pelo ar em comprimentos de onda ópticos não é tão fácil quanto enviar microondas, porque as moléculas no ar absorvem prontamente a luz, reduzindo drasticamente a força do sinal. Além disso, a turbulência pode enviar um feixe de laser para fora do alvo. Para comparar relógios ópticos, os físicos até agora confiaram principalmente na transmissão de sinais através de cabos de fibra óptica, ou no transporte dos próprios relógios volumosos e complexos, para compará-los lado a lado. Mas esses métodos são impraticáveis para criar o tipo de rede global necessária para definir o segundo.
A equipe de Pan conseguiu combinar vários desenvolvimentos menores, diz Gozzard. Para criar seu sinal, os pesquisadores usaram pentes de frequência óptica – dispositivos que produzem pulsos de luz laser extremamente estáveis e precisos – e aumentaram sua saída usando amplificadores de alta potência, para minimizar a perda de sinal quando os pulsos viajavam pelo ar. A equipe também sintonizou e otimizou os receptores para que pudessem captar sinais de baixa potência e rastrear automaticamente a direção do laser recebido.
O grupo enviou intervalos de tempo usando dois comprimentos de onda de luz visível e transmitiu outro através de um link de fibra óptica. Ao comparar as pequenas diferenças entre os sinais captados nos receptores, os pesquisadores mostraram que, quando medidos ao longo de horas, eles podem disseminar o tique-taque com uma estabilidade alta o suficiente para perder ou ganhar apenas um segundo aproximadamente a cada 80 bilhões de anos. O nível de precisão estava no mesmo nível dos relógios ópticos.
Ainda não existe
Embora esse método de transferência seja o mais estável que a humanidade tem até agora, ele precisará ser aprimorado ainda mais para corresponder à estabilidade dos melhores relógios ópticos, diz Gozzard.
Outra limitação é que o experimento foi feito em uma região remota com ótimas condições atmosféricas, diz Ido. “A umidade é bastante baixa e a turbulência do ar pode ser mais silenciosa do que em áreas urbanas convencionais”, diz ele. Estudos futuros precisarão verificar quão bem o método funciona em outros locais.
Mas o experimento parece ser um bom substituto para enviar esses sinais para o espaço, diz Helen Margolis, física do Laboratório Nacional de Física em Teddington, Reino Unido. A quantidade de turbulência esperada ao longo de 113 quilômetros no solo é comparável à do caminho do solo para um satélite, diz ela.
A transmissão por satélite enfrentará mais um obstáculo – os relógios estarão orbitando em alta velocidade, o que altera a frequência de seus sinais, diz Gozzard.
Pan diz que este é um dos desafios que sua equipe enfrentará a seguir. A equipe desenvolveu anteriormente tecnologias para um satélite de comunicações quânticas e agora as está usando para desenvolver maneiras de transmitir entre relógios ópticos em órbita geoestacionária e no solo.
Usando relógios ópticos no espaço, também seria “possível fornecer novas sondas para física fundamental, como caçar matéria escura e detectar ondas gravitacionais”, acrescenta Pan.
Publicado em 19/10/2022 22h21
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