Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

A Corrida pelo Tique Perfeito

Imagine o tempo como um rio. Durante séculos, medimos seu fluxo usando uma balsa simples, confiável, mas ligeiramente instável: o relógio atômico baseado em sinais de micro-ondas (como os do seu GPS). Esses relógios são bons, mas têm um limite para o quão constantes podem ser. Recentemente, cientistas construíram relógios "ópticos" que usam luz em vez de micro-ondas. Esses novos relógios são como barcos de corrida de alta velocidade; eles são incrivelmente rápidos e precisos, tiquetaqueando centenas de milhares de vezes mais frequentemente do que os antigos. No entanto, há um porém. Para manter uma escala de tempo perfeita (como o tempo oficial para o mundo inteiro), você precisa de um "volante de inércia" — um motor constante que mantém o barco movendo-se suavemente mesmo quando o volante de direção (o relógio ultrapreciso) faz uma pausa para recarregar ou calibrar.

Atualmente, os melhores volantes de inércia que temos ainda são as antigas balsas de micro-ondas (masers de hidrogênio). Eles são robustos, mas oscilam demais no curto prazo. Isso significa que, mesmo que você tenha um relógio óptico superpreciso, não pode usar totalmente o seu poder porque o antigo volante de inércia arrasta todo o sistema, criando um "piso de ruído" que esconde a verdadeira perfeição do relógio. A grande questão no mundo da cronometria é: Podemos construir um novo tipo de volante de inércia feito da própria luz? Se conseguirmos, poderemos criar uma escala de tempo que seja tão estável quanto os melhores relógios ópticos, potencialmente levando a uma redefinição do próprio segundo. Este é o desafio que os pesquisadores deste artigo se propuseram a enfrentar.

A Máquina do Tempo Totalmente Óptica

Neste estudo, uma equipe de cientistas da JILA, NIST e Vector Atomic decidiu parar de usar os antigos e instáveis volantes de micro-ondas e tentar algo radical: eles construíram três escalas de tempo separadas que funcionam inteiramente com luz. Em vez de depender de masers de hidrogênio para manter o tempo entre as verificações, eles usaram três "volantes de inércia ópticos" diferentes: duas cavidades de silício superfrias (pense nelas como espelhos feitos de silício que são resfriados perto do zero absoluto para impedir que fiquem oscilando) e um relógio óptico de iodo comercial.

Para manter esses motores baseados em luz no caminho certo, a equipe usou um relógio de rede de estrôncio altamente confiável como "volante de direção". Este relógio mestre verificava a velocidade dos três volantes de inércia e fazia pequenos ajustes para mantê-los em sincronia. A equipe realizou este experimento por mais de 20 dias, observando quão bem essas três escalas de tempo totalmente ópticas se comparavam entre si.

Os resultados foram um passo gigantesco à frente. Quando as três escalas de tempo foram comparadas, elas permaneceram incrivelmente próximas. Após apenas alguns dias de média, sua instabilidade relativa caiu abaixo de $10^{-16}$, um nível de precisão que levaria semanas para um sistema tradicional baseado em maser alcançar. Ainda mais impressionante, a diferença de tempo total entre as três escalas ao longo de todo o período de 20 dias foi inferior a 100 picossegundos (isso é 0,0000000001 segundos). Para colocar em perspectiva, se você estivesse assistindo a um filme, esse erro é tão pequeno que você nem notaria se um único quadro estivesse faltando.

Os pesquisadores também demonstraram que podiam converter esses sinais baseados em luz de volta em sinais de rádio (o tipo usado por nossa eletrônica atual) sem perder a precisão. Eles descobriram que o processo de transformar luz em ondas de rádio adicionou menos de 2 picossegundos de erro, provando que este novo sistema está pronto para conversar com nossa tecnologia existente.

No entanto, o artigo observa cuidadosamente que isso não é uma varinha mágica que resolve tudo da noite para o dia. O sistema ainda depende de o relógio de estrôncio estar disponível para fazer a direção. Quando o relógio mestre fazia uma pausa (o que acontecia por cerca de 6 horas de cada vez), as escalas de tempo se afastavam ligeiramente, acumulando cerca de 20 picossegundos de diferença por intervalo. Mas, mesmo com essas lacunas, o desempenho foi muito superior ao que é possível com a tecnologia atual. Os autores sugerem que, à medida que os volantes de inércia ópticos se tornarem mais confiáveis e os relógios mestres funcionarem por períodos mais longos, essas escalas de tempo totalmente ópticas poderão se tornar o padrão futuro para manter o tempo, eventualmente substituindo inteiramente os antigos sistemas baseados em micro-ondas.

Em resumo, o artigo demonstra que é possível construir uma escala de tempo que vive inteiramente no mundo da luz, oferecendo um nível de estabilidade que os antigos métodos de micro-ondas simplesmente não conseguem igualar. É uma prova de conceito de que o futuro da cronometria pode estar brilhando um pouco mais intensamente do que pensávamos.