Físicos na Austrália demonstraram como criar um link de laser excepcionalmente estável para enviar informações de frequência pela atmosfera. Os pesquisadores dizem que as flutuações na frequência do laser são tão minúsculas que, depois de apenas alguns segundos de cálculo da média, esse link pode ser usado para transmitir perfeitamente sinais de tempo dos relógios ópticos mais precisos do mundo. Isso, eles argumentam, oferece a perspectiva de uma rede de cronometragem global que usa satélites para sincronizar frequências ópticas entre continentes.
Essa capacidade de conectar relógios ópticos globalmente pode permitir que os físicos testem a relatividade geral, pesquisem por matéria escura e detectem quaisquer variabilidades nas constantes fundamentais. Também pode ser usado para melhorar a navegação e cronometragem por satélite, bem como a geodésia – graças aos efeitos da dilatação do tempo gravitacional em altitudes variáveis.
Os relógios ópticos agora podem atingir incertezas cerca de 100 vezes mais baixas do que os relógios atômicos baseados em césio com frequência de micro-ondas – em cerca de 1 parte em 1018 – enquanto suas frequências foram comparadas conectando-as através de fibra óptica a distâncias de até quase 2.000 km. Mas estender essas comparações ao redor do mundo será difícil, devido ao enorme custo de instalar uma fibra dedicada com amplificadores adequados. Os links de rádio via satélite, por outro lado, são bons para relógios de microondas, mas são muito imprecisos para cronômetros ópticos.
Como David Gozzard, Lewis Howard e colegas da University of Western Australia em Perth explicam em uma pré-impressão enviada ao servidor arXiv, qualquer link deve ter uma frequência mais estável do que os relógios ópticos que eles conectam. Caso contrário, a precisão suprema desses relógios será desperdiçada. A estabilidade pode ser aumentada calculando a média de um sinal em tempos mais longos, mas esse tempo é muito limitado – com alguns especialistas prevendo que os relógios ópticos podem se tornar estáveis em breve para uma parte em 1018 após funcionar por apenas 100 s.
Turbulência atmosférica
O desafio para os desenvolvedores de links de espaço livre é superar a turbulência atmosférica. As flutuações no índice de refração ao longo do caminho do laser aceleram ligeiramente ou atrasam a chegada da luz, levando à instabilidade de fase. Além do mais, a turbulência também faz com que o feixe se desvie do alvo e cintile. Isso diminui a intensidade do feixe muito brevemente, mas repetidamente, com a perda de sinal limitando o tempo médio e com isso a estabilidade da frequência.
Para demonstrar como superar esses problemas, Gozzard e colegas instalaram um transmissor e receptor de laser no telhado do departamento de física da universidade. Eles então mediram a estabilidade de um feixe que ricocheteou em um refletor de canto-cubo em outro telhado a 1,2 km de distância. Essa viagem de ida e volta horizontal de 2,4 km, dizem eles, teve aproximadamente o mesmo nível de turbulência que uma ligação estabelecida entre o solo e um satélite a cerca de 500 km em uma órbita baixa da Terra.
Para maximizar a estabilidade do sistema, os pesquisadores foram capazes de realinhar continuamente o feixe refletido usando um espelho de “inclinação” que se move em resposta à saída flutuante de um fotodetector que pode capturar quedas de intensidade com duração inferior a um milissegundo. Em conjunto, eles usaram um loop de bloqueio de fase junto com um modulador óptico-acústico para mudar a frequência da luz.
Tentativas de espaço livre
Esta não é a primeira tentativa de estabilizar as transferências de frequência no espaço livre. O grupo australiano e colegas na França relataram em janeiro ter alcançado uma estabilidade de 1,6 peças em 1019 após apenas 40 segundos de média. Isso se compara bem com 6 x 10-19 após cerca de 30 horas em média, relatado no ano passado por pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA ao usar um link ao ar livre de 1,5 km com relógios ópticos em cada extremidade. Um grupo do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia também realizou medições semelhantes em um link ao ar livre de 18 km.
No entanto, o trabalho mais recente aumenta a estabilidade de forma significativa. Realizando seu experimento por duas semanas em setembro de 2020, Gozzard e colegas descobriram que a tecnologia de estabilização de fase por si só permitia uma estabilidade fracionária de 1 × 10-19 após uma média de um minuto. Ao também estabilizar a amplitude, eles foram capazes de reduzir a perda de sinal e aumentar a estabilidade para cerca de 6 × 10?21 após 5 min. Como eles ressaltam, isso acontece a cerca de tempo que o contato pode ser mantido com um satélite em órbita baixa da Terra.
Eles então descobriram o que esses números significariam quando se ligassem a um satélite em órbita. Eles descobriram que a menor largura de banda do sinal devido à maior distância reduziria ligeiramente as estabilidades, mas ainda manteria o sistema extremamente competitivo com os melhores relógios ópticos. Eles calculam que as comparações de frequência seriam limitadas pelas próprias instabilidades dos relógios após apenas alguns segundos do cálculo da média.
Para testar a tecnologia de verdade, Gozzard e seus colegas estão construindo um telescópio de 0,7 m no solo e esperam obter acesso a um satélite da agência espacial francesa CNES ou de uma empresa privada. Ele aponta que eles terão que lidar com uma mudança Doppler bastante severa – o movimento de um satélite em direção e para longe da estação terrestre fará com que o sinal de entrada suba e desça abruptamente em cerca de 10 GHz. Mas ele avalia que a experiência adquirida pela equipe que lida com mudanças de micro-ondas de alta precisão no radiotelescópio Square Kilometer Array deve ajudá-los a manter a precisão atual. “Estamos confiantes de que podemos nos adaptar à mudança Doppler”, diz ele.
Publicado em 22/04/2021 22h09
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