Relógio atômico óptico portátil faz sua estreia comercial – Physics World

Relógio atômico óptico portátil faz sua estreia comercial – Physics World

Carimbo de data / hora: 12 de dezembro de 2023 10h00

Foto de quatro células de vapor de iodo, que são caixas de vidro com alguns centímetros de comprimento
Configuração simples: As células de vapor de iodo usadas no relógio atômico óptico portátil da Vector Atomic. (Cortesia: Vector Atomic)

Os átomos são os cronometristas mais precisos do mundo – tanto que o segundo é definido como exatamente 9 tiques de um relógio atômico baseado em césio. Versões comercialmente disponíveis destes relógios atomicamente precisos sustentam o GPS, a navegação, a transferência de dados e os mercados financeiros, e funcionam em frequências de microondas, ou milhares de milhões de tique-taques por segundo. Depois de um dia, a cronometragem deles diminui em menos de dez nanossegundos.

Por melhor que seja, a próxima geração de relógios atômicos é ainda mais precisa. Essas construções baseadas em laboratório funcionam em frequências ópticas, o que significa que funcionam dezenas de trilhões de vezes por segundo. O melhor deles pode permanecer preciso até 10 femtossegundos (10-15 s) após um dia, ou dentro de um segundo após 50 bilhões de anos. E em breve, pela primeira vez, você poderá comprar um dos seus: Vector Atomic, uma start-up com sede na Califórnia, EUA, colocou o primeiro relógio óptico portátil do mercado.

“Hoje, os únicos relógios que você pode comprar são os de micro-ondas”, diz Jonathan Hoffman, gerente de programa da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA), que financiou o trabalho. “Se você for para a transição óptica, há um ganho gigante em precisão, exatidão e desempenho, mas normalmente também traz uma complexidade incrível ao mesmo tempo. Encontrar um compromisso feliz é a verdadeira batalha.”

Encontrando os átomos certos

A principal diferença entre os relógios ópticos e seus antecessores de microondas são os lasers. Para construir os relógios mais precisos possíveis, os cientistas utilizam os átomos que oferecem as transições atómicas mais estreitas – geralmente estrôncio ou itérbio – e concebem os seus sistemas de laser em torno dos requisitos específicos desses átomos. Os átomos são mantidos em câmaras de vácuo, e diferentes lasers são usados ​​para resfriá-los e prendê-los, enquanto outros lasers bloqueiam transições indesejáveis ​​ou interrogam o desejado usado no relógio. Todos esses lasers, até uma dúzia no total, precisam ser estabilizados em frequências precisas, e sua manutenção requer supervisão constante.

Para construir uma versão menos precisa, mas mais robusta e portátil, de um relógio óptico, o CEO e cofundador da Vector Atomic Jamil Abo Shaeer teve que adotar uma abordagem diferente. “Em vez de projetar o sistema em torno do átomo, projetamos o sistema em torno dos lasers”, diz ele.

Foto de um pente de frequência em uma caixa retangular
Um pente de frequência compacto personalizado usado para ler a frequência do relógio óptico. (Cortesia: Vector Atomics)

Os lasers mais resistentes e testados ao longo do tempo, explica Abo-Shaeer, são aqueles usados ​​em telecomunicações e usinagem industrial. Graças a anos (ou mesmo décadas) de pesquisa e desenvolvimento comercial, eles são extremamente compactos e estáveis, e ele e sua equipe escolheram uma espécie atômica que lhes convém: o iodo molecular. Esta molécula tem transições convenientes perto de um laser infravermelho de frequência duplicada comumente usado em usinagem. A equipe também optou por uma configuração simples de célula de vapor que evita o resfriamento dos átomos a temperaturas frias ou o confinamento em um vácuo ultra-alto.

O resultado foi um relógio óptico pronto para uso, que a equipe chama de Evergreen, com volume de apenas 30 litros – aproximadamente o tamanho de um toca-discos. Embora a precisão do tempo do Evergreen esteja longe do estado da arte baseado em laboratório, ele é 100 vezes mais preciso do que os relógios de micro-ondas existentes de tamanho comparável. Também corresponde ao desempenho dos relógios baseados em masers de hidrogénio – dispositivos do tamanho de frigoríficos que são extremamente sensíveis ao ruído ambiental.

testes de mar

No verão de 2022, um protótipo do Evergreen passou três semanas a bordo de um navio no mar para testes. Durante este tempo, o relógio funcionou sem qualquer intervenção. Ao retornar, a equipe testou o desempenho do relógio e descobriu que ele não havia se degradado significativamente, apesar da turbulência e das oscilações de temperatura a bordo do navio. “Quando isso aconteceu, pensei que todos deveriam estar de pé e gritar do alto”, diz Hoffman. “Quer dizer, as pessoas trabalham nesses relógios ópticos há décadas. E esta foi a primeira vez que um relógio óptico funcionou sozinho, sem interferência humana, no mundo real.”

Foto do relógio óptico da Vector Atomic, uma caixa cinza oblonga com uma tela e alguns conectores
Tick ​​tock: Relógio óptico Evergreen da Vector Atomic em sua caixa. (Cortesia: Vector Atomics)

De acordo com Abo-Shaeer, o tamanho e a estabilidade do Evergreen abrem caminho para a adoção generalizada de tais relógios na navegação, especialmente quando os sinais GPS são bloqueados ou falsificados; em data centers e protocolos de telecomunicações; e para sincronizar sinais de detectores remotos para fins científicos. Atualmente, o GPS tem uma precisão de cerca de três metros, mas uma cronometragem mais precisa nos satélites poderia reduzir essa precisão para alguns centímetros ou menos, permitindo que veículos autónomos permaneçam nas suas faixas ou que drones de entrega pousem numa varanda. Ser capaz de dividir o tempo em pedaços menores também deve permitir comunicações com maior largura de banda, acrescenta Abo-Shaeer.

Ainda não se sabe se este relógio em particular será o que alimentará a próxima geração de GPS e a transferência de dados mais rápida. Mas o avanço tecnológico é significativo mesmo assim, diz Elizabeth Donley, chefe da divisão de tempo e frequência do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos EUA em Boulder, Colorado. “Há potencialmente muitos outros tipos de relógios ópticos que poderão chegar ao mercado na próxima década”, diz Donley, que não esteve envolvido no trabalho da Vector Atomic. “O coração desta coisa é uma célula de vapor de iodo, mas a infraestrutura também pode ser usada para outros tipos de relógios.”

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