Uma nova técnica que pode melhorar muito a precisão das medições de tempo e distância feitas usando pentes de frequência óptica dupla foi desenvolvida por pesquisadores nos EUA e no Canadá. Pelo ajuste dinâmico de um dos pentes, Emily Caldwell e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) em Boulder, Colorado e da Octosig Consulting na cidade de Quebec tornaram a técnica muito mais eficiente.
Demonstrado pela primeira vez na virada do milênio, o pente de frequência óptica aumentou a precisão das medições de tempo e distância. Um pente pode ser criado usando um laser que emite pulsos ultracurtos em intervalos regulares. O espectro de frequência dos pulsos tem picos nítidos e uniformemente espaçados - dando a aparência dos dentes de um pente.
Para medir o tempo e a distância, pulsos de pente são refletidos em um objeto distante. A luz refletida é então combinada com um segundo pente, que possui pulsos ligeiramente atrasados em relação ao primeiro pente. Ao medir o alinhamento relativo dos dois pentes, o tempo de retorno do primeiro pente – e, portanto, a distância até o objeto refletor – pode ser determinado com uma precisão muito alta.
Pouca sobreposição
No entanto, uma deficiência importante desta técnica é que o comprimento dos pulsos é muito menor do que os intervalos entre os pulsos. Portanto, muitas vezes há pouca sobreposição entre o pulso refletido e o pulso atrasado. Isso significa que as medições às vezes dependem da medição de números muito pequenos de fótons – reduzindo a precisão e desperdiçando uma grande parte da luz refletida. Este é um problema particularmente urgente para aplicações de detecção fora do laboratório, onde a luz no primeiro pente já é atenuada à medida que percorre longas distâncias de e para o objeto alvo.
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Para superar esse problema, a equipe de Caldwell usou um controlador digital para rastrear e controlar o tempo do pulso no segundo pente com uma precisão de 2 as. Isso permitiu que eles travassem o segundo pente no primeiro, garantindo que os pulsos chegassem ao detector ao mesmo tempo. Como resultado, todos os fótons no primeiro pente podem potencialmente ser usados em uma medição.
Essa inovação permitiu que a equipe fizesse suas medições próximas ao limite quântico – um limite fundamental para a precisão da medição imposta pelas flutuações quânticas. Outra vantagem do sistema é que seu uso eficiente de fótons permite que ele funcione com uma potência muito menor – exigindo apenas 0.02% dos fótons usados pelos sistemas anteriores para obter os mesmos resultados.
Como resultado, a abordagem da equipe pode oferecer novas oportunidades interessantes para detectar oportunidades fora do laboratório. Isso inclui a medição de distâncias para objetos distantes, como satélites em órbita, com precisão nanométrica.
A pesquisa é descrita em Natureza.
