Os desafios de precisão dos relógios atômicos talvez possam ser resolvidos pela superradiância.
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Os átomos, embora minúsculos, são a métrica pela qual avaliamos com mais precisão a passagem do tempo. Enquanto eles ficam suspensos em complicadas teias ultrafrias de magnetismo, nós os sondamos com lasers para medir suas oscilações.
O próprio ato de medição, porém, pode causar a degradação desses relógios atômicos. Os lasers aquecem os átomos e eles escapam para o vazio. Porém, físicos descobriram que um fenômeno quântico chamado superradiância poderia resolver esse problema, tornando os relógios mais precisos da Terra ainda mais precisos.
“Portanto, estamos tentando superar alguns dos atuais desafios e limitações dos melhores relógios atômicos do mundo, entre outras coisas, reutilizando os átomos para que não precisem ser substituídos com tanta frequência”, explica o físico Eliot Bohr, ex-Universidade de Copenhague, agora na Universidade do Colorado.
Um relógio atômico, como você provavelmente pode imaginar, é uma máquina complicada de construir. Você precisa pegar um monte de átomos – neste caso, estrôncio, embora o césio e o itérbio também sejam escolhas populares – e submetê-los a certas condições para prendê-los no lugar e medir suas oscilações.
Neste experimento os átomos de estrôncio são produzidos num forno quente, que aquece o estrôncio sólido para produzir vapor. Esses átomos são ejetados do forno, depois desacelerados e resfriados até a temperatura extremamente baixa de -273 graus Celsius, apenas uma fração acima do zero absoluto, em uma câmara de vácuo à qual a equipe adicionou dois espelhos, formando o que é conhecido como cavidade óptica, que permite apenas que certos padrões de luz sejam refletidos indo e voltando.
“Quando os átomos pousam na câmara de vácuo, ficam completamente imóveis porque está muito frio, o que permite registrar as suas oscilações com os dois espelhos em extremidades opostas da câmara”, explica Bohr.
Agora, os relógios atômicos já são muito precisos. O mais preciso até agora, anunciado há apenas um mês numa pré-impressão, é um relógio de estrôncio que pode funcionar durante 40 bilhões de anos sem perder a hora.
Então você pode pensar que refinar a precisão é um detalhe desnecessário, mas a cronometragem precisa é, na verdade, extraordinariamente útil, para aplicações como medição do mundo físico, navegação, e testes de relatividade.
Então Bohr e seus colegas queriam encontrar uma maneira de construir um relógio atômico que não perdesse átomos e, para isso, recorreram à superradiância, que é quando um grupo de átomos excitados sincroniza a separação de suas cargas, emitindo coletivamente um pulso de luz curto e intenso tão bem alinhado que pode ser medido com grande precisão.
“Os espelhos fazem com que os átomos se comportem como uma unidade única. Coletivamente, eles emitem um poderoso sinal de luz que podemos usar para ler o estado atômico, uma etapa crucial para medir o tempo”, diz Bohr.
“Este método aquece minimamente os átomos, então tudo acontece sem substituir os átomos, e isso tem o potencial de torná-lo um método de medição mais preciso.”
Neste ponto, os desenvolvimentos experimentais da equipe estão em fase de prova de conceito. O seu trabalho mostra que é possível; mas agora precisa ser desenvolvido e refinado para avançar no campo da cronometria em uma direção nova e ultraprecisa.
“Nosso esquema é uma abordagem inovadora para leitura do estado atômico, caracterizada por sua velocidade, simplicidade e emissão altamente direcional de fótons de sinal”, escrevem os pesquisadores em seu artigo.
O estudo está publicado na Nature Communications.
