Absolute frequency measurement of the $^{40}$Ca$^{+}$ clock transition using a GNSS link to the SI second

O tempo, em seu sentido mais fundamental, é medido pela contagem dos tiques constantes e rítmicos de um átomo. Por décadas, os segundos oficiais do mundo foram definidos pelas vibrações de átomos de césio, um padrão que serviu bem à humanidade. No entanto, cientistas há muito buscam uma maneira mais precisa de manter o tempo, uma que dependa de átomos vibrando em velocidades muito mais altas, usando luz em vez de micro-ondas. Esses relógios atômicos ópticos são tão sensíveis que podem detectar as menores mudanças na gravidade ou na passagem do próprio tempo. Para serem úteis, esses relógios devem ser comparados com o tempo oficial mantido por laboratórios nacionais, mas fazer isso requer uma ponte que possa transportar o sinal através de centenas de quilômetros sem perder sua precisão.

Em um estudo recente, pesquisadores em Innsbruck, Áustria, construíram tal ponte para medir a frequência exata de um relógio específico baseado em um único íon de cálcio. Eles conectaram seu laboratório ao centro primário de cronometragem em Braunschweig, Alemanha, usando uma rede de satélites de navegação. Ao fazer isso, determinaram a frequência absoluta da transição do relógio de cálcio com um nível de precisão que nunca havia sido alcançado antes para essa configuração específica. O trabalho deles não apenas fornece um número novo e altamente preciso de quão rápido esse relógio tica, mas também corrige uma discrepância de longa data no registro científico e refina nossa compreensão de como os campos magnéticos interagem com o átomo.

O experimento centrou-se em um único íon de cálcio, um átomo que perdeu um elétron, aprisionado em uma câmara de vácuo por forças elétricas e magnéticas invisíveis. Este íon atua como o pêndulo do relógio. Para fazê-lo ticar, os pesquisadores incidem um feixe de laser de uma cor muito específica, vermelho profundo, sobre o átomo. Quando a frequência do laser coincide com a vibração natural do íon, o átomo absorve a energia e salta para um estado de energia superior. Os pesquisadores estão procurando pelo momento exato em que isso acontece, o que ocorre a uma frequência de 411.042.129.776.401,2 hertz. Esse número representa o número de vezes que o átomo vibra a cada segundo. Para medir isso com tamanha precisão extrema, eles tiveram que garantir que nenhum fator externo, como campos magnéticos espúrios ou o calor do ambiente circundante, estivesse empurrando o número ligeiramente para fora do lugar.

Para conectar seu relógio local ao padrão internacional, a equipe estabeleceu um vínculo com o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) em Braunschweig, o instituto nacional de metrologia alemão que ajuda a definir o Tempo Universal Coordenado. Eles usaram um maser de hidrogênio passivo, um dispositivo que gera um sinal muito estável, como uma referência local. Esse sinal foi então comparado com o tempo mantido por satélites do Sistema Global de Navegação por Satélite. Ao analisar o tempo que os sinais levaram para viajar entre seu laboratório, os satélites e o laboratório alemão, eles puderam calcular a diferença precisa entre seu relógio local e o tempo oficial internacional. Este método, conhecido como Posicionamento de Ponto Preciso, permitiu que eles transferissem o padrão de tempo através de uma distância de vários centenas de quilômetros com erro mínimo.

A campanha de medição durou dez dias em junho de 2021. Durante esse tempo, os pesquisadores sondaram o íon seis vezes, usando configurações magnéticas ligeiramente diferentes para cada sonda. Essa estratégia inteligente permitiu que eles cancelassem várias fontes de erro que costumam assolar tais medições, incluindo desvios causados pelo campo magnético da Terra e pelos campos elétricos dentro da armadilha. No entanto, eles descobriram que um efeito sutil causado pelas correntes de radiofrequência usadas para manter o íon no lugar ainda estava influenciando os resultados. Essas correntes criam um campo magnético oscilante minúsculo que desloca os níveis de energia do átomo de uma forma que não havia sido totalmente contabilizada em medições anteriores. Ao medir cuidadosamente esse efeito, a equipe foi capaz de corrigir seus dados e também calcular um valor novo e mais preciso para uma propriedade fundamental do átomo de cálcio conhecida como fator g de Landé, que descreve como o átomo responde a campos magnéticos.

O resultado final de seu trabalho é uma medição da frequência de transição do relógio de cálcio com uma incerteza fracionária de 1,5 vezes 10 à potência de menos 15. Para colocar esse nível de precisão em perspectiva, se este relógio tivesse começado a ticar no início do universo, ele estaria atrasado ou adiantado por menos de um segundo hoje. Este resultado coloca sua medição em concordância com estudos recentes de outros laboratórios na China e em Israel, mas contradiz medições anteriores de 2009 a 2012. Os pesquisadores acreditam que os resultados anteriores eram menos precisos porque não contabilizavam totalmente os campos magnéticos oscilantes gerados pela própria armadilha. Ao incluir este fator, a nova medição resolve o desacordo e fornece um padrão mais confiável para a cronometragem futura.

Além do número específico, o estudo demonstra o poder de usar links de satélite para comparar os relógios mais avançados do mundo. Embora cabos de fibra óptica possam oferecer uma estabilidade ainda melhor, nem sempre é prático instalá-los entre cidades distantes. O link de satélite usado aqui oferece uma maneira mais simples e acessível de verificar se os relógios ópticos ao redor do mundo são consistentes entre si. Os pesquisadores também confirmaram que suas próprias medições foram limitadas principalmente pela estabilidade de seu maser de hidrogênio local, sugerindo que melhorias futuras poderiam ser feitas usando uma fonte de referência ainda mais estável. Este trabalho marca um passo significativo à frente no esforço global para redefinir o segundo e para usar esses relógios incrivelmente precisos para testar as leis fundamentais da física.