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Novo tipo de relógio atômico mantém o tempo ainda mais precisamente

Um relógio atômico recém-projetado usa átomos emaranhados para manter o tempo ainda mais precisamente do que seus homólogos de última geração. O projeto poderia ajudar os cientistas a detectar matéria escura e estudar o efeito da gravidade no tempo.

Relógios atômicos são os guardiões do tempo mais precisos do mundo. Estes instrumentos requintados usam lasers para medir as vibrações dos átomos, que oscilam em uma frequência constante, como muitos pêndulos microscópicos balançando em sincronia. Os melhores relógios atômicos do mundo mantêm o tempo com tanta precisão que, se estivessem funcionando desde o início do universo, eles só estariam desligados por cerca de meio segundo hoje.

Ainda assim, eles poderiam ser ainda mais precisos. Se os relógios atômicos pudessem medir com mais precisão as vibrações atômicas, eles seriam sensíveis o suficiente para detectar fenômenos como matéria escura e ondas gravitacionais. Com melhores relógios atômicos, os cientistas também poderiam começar a responder algumas perguntas alucinantes, como o efeito que a gravidade pode ter na passagem do tempo e se o próprio tempo muda à medida que o universo envelhece.

Agora, um novo tipo de relógio atômico projetado pelos físicos do MIT pode permitir que os cientistas explorem tais questões e possivelmente revelem novas físicas.

Os pesquisadores relatam na revista Nature que eles construíram um relógio atômico que mede não uma nuvem de átomos oscilantes aleatoriamente, como os projetos de última geração medem agora, mas sim átomos que foram quantummente emaranhados. Os átomos estão correlacionados de uma forma impossível de acordo com as leis da física clássica, e que permite aos cientistas medir as vibrações dos átomos com mais precisão.

A nova configuração pode alcançar a mesma precisão quatro vezes mais rápida que os relógios sem emaranhamento.

“Os relógios atômicos ópticos aprimorados para o emaranhamento terão o potencial de alcançar uma precisão melhor em um segundo do que os relógios ópticos de última geração”, diz o autor principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, pós-doutor no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT.

Se relógios atômicos de última geração fossem adaptados para medir átomos emaranhados da maneira como a configuração da equipe do MIT faz, seu tempo melhoraria de tal forma que, ao longo de toda a era do universo, os relógios estariam a menos de 100 milissegundos de distância.

Outros coautores do mit são Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, e Vladan Vuletic, o Professor lester wolfe de Física.

Limite de tempo

Desde que os humanos começaram a rastrear a passagem do tempo, eles têm feito isso usando fenômenos periódicos, como o movimento do sol através do céu. Hoje, vibrações em átomos são os eventos periódicos mais estáveis que os cientistas podem observar. Além disso, um átomo de césio oscilará exatamente na mesma frequência que outro átomo de césio.

Para manter o tempo perfeito, os relógios idealmente rastreariam as oscilações de um único átomo. Mas nessa escala, um átomo é tão pequeno que se comporta de acordo com as misteriosas regras da mecânica quântica: Quando medido, ele se comporta como uma moeda virada que só quando mediada sobre muitos lançamentos dá as probabilidades corretas. Essa limitação é o que os físicos chamam de Limite Quântico Padrão.

“Quando você aumenta o número de átomos, a média dada por todos esses átomos vai para algo que dá o valor correto”, diz Colombo.

É por isso que os relógios atômicos de hoje são projetados para medir um gás composto de milhares do mesmo tipo de átomo, a fim de obter uma estimativa de suas oscilações médias. Um relógio atômico típico faz isso primeiro usando um sistema de lasers para encurralar um gás de átomos ultrafriados em uma armadilha formada por um laser. Um segundo laser muito estável, com uma frequência próxima à das vibrações dos átomos, é enviado para sondar a oscilação atômica e, assim, manter o controle do tempo.

No entanto, o Limite Quântico Padrão ainda está em ação, o que significa que ainda há alguma incerteza, mesmo entre milhares de átomos, em relação às suas frequências individuais exatas. Aqui é onde Vuletic e seu grupo mostraram que o emaranhamento quântico pode ajudar. Em geral, o emaranhamento quântico descreve um estado físico não clássico, no qual átomos em um grupo mostram resultados de medição correlacionados, embora cada átomo individual se comporte como o arremesso aleatório de uma moeda.

A equipe argumentou que se os átomos estão emaranhados, suas oscilações individuais se apertariam em torno de uma frequência comum, com menos desvio do que se não estivessem emaranhados. As oscilações médias que um relógio atômico mediria, portanto, teriam uma precisão além do Limite Quântico Padrão.

Relógios emaranhados

Em seu novo relógio atômico, Vuletic e seus colegas emaranham cerca de 350 átomos de ytterbium, que oscila na mesma frequência muito alta que a luz visível, o que significa que qualquer átomo vibra 100.000 vezes mais vezes em um segundo do que o césio. Se as oscilações do ytterbium podem ser rastreadas com precisão, os cientistas podem usar os átomos para distinguir intervalos cada vez menores de tempo.

O grupo usou técnicas padrão para resfriar os átomos e prendê-los em uma cavidade óptica formada por dois espelhos. Eles então enviaram um laser através da cavidade óptica, onde ele ping-ponged entre os espelhos, interagindo com os átomos milhares de vezes.

“É como se a luz funcionasse como um elo de comunicação entre os átomos”, explica Shu. “O primeiro átomo que vê essa luz modificará ligeiramente a luz, e essa luz também modifica o segundo átomo, e o terceiro átomo, e através de muitos ciclos, os átomos se conhecem coletivamente e começam a se comportar da mesma forma.”

Dessa forma, os pesquisadores misturam os átomos de forma quântica e, em seguida, usam outro laser, semelhante aos relógios atômicos existentes, para medir sua frequência média. Quando a equipe fez um experimento semelhante sem envolver átomos, eles descobriram que o relógio atômico com átomos emaranhados atingiu uma precisão desejada quatro vezes mais rápido.

“Você sempre pode tornar o relógio mais preciso medindo mais”, diz Vuletic. “A questão é, quanto tempo você precisa para alcançar uma certa precisão. Muitos fenômenos precisam ser medidos em escalas de tempo rápidas.”

Ele diz que se os relógios atômicos de última geração de hoje puderem ser adaptados para medir átomos quantummente emaranhados, eles não só manteriam melhor tempo, mas poderiam ajudar a decifrar sinais no universo, como matéria escura e ondas gravitacionais, e começar a responder algumas perguntas antigas.

“À medida que o universo envelhece, a velocidade da luz muda? A carga do elétron muda? Vuletic disse. “Isso é o que você pode sondar com relógios atômicos mais precisos.”

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