A profundidade da compreensão dos fundamentos do universo é limitada pela precisão dos instrumentos científicos. Quanto mais precisos, mais os cientistas aprendem sobre as propriedades da matéria. O limite foi atingido ao estudar fenômenos quânticos, cuja precisão de medição coincidia com cálculos de até 12 casas decimais. Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) nos permitirão olhar mais além. Para isso, eles criaram o relógio atômico mais avançado, com precisão de até 19 dígitos após a vírgula decimal.
Fonte da imagem: NIST
Pesquisadores do NIST vêm aperfeiçoando seu relógio atômico de íons de alumínio há cerca de 20 anos. O íon de alumínio pode marcar na frequência mais alta, superando os relógios atômicos à base de césio, populares entre os cientistas, nesse parâmetro e em sua estabilidade. No entanto, há outro problema com os íons de alumínio: eles são muito difíceis de resfriar e medir, embora não sejam muito sensíveis a campos magnéticos e flutuações de temperatura. Para domar os íons de alumínio e fazê-los contar o tempo, eles tiveram que desenvolver uma armadilha de íons especial, cuja atualização levou muitos anos de pesquisa.
O desenvolvimento final até o momento é uma base de diamante mais espessa e eletrodos de ouro mais espessos, que ajudaram a “dissolver” campos eletromagnéticos parasitas nos contatos opostos da armadilha. Como é difícil detectar diretamente o íon de alumínio e medir sua frequência (o “tique-taque”), os cientistas adicionaram um companheiro à armadilha: um íon de magnésio. O íon de magnésio ajudou a reduzir a temperatura das oscilações do íon de alumínio, resfriando-o, e também serviu como uma espécie de sonda para ler as características do íon de alumínio.
Ambos os íons estavam fortemente ligados na armadilha por interações nucleares e influenciavam-se mutuamente de uma forma conhecida. A espectroscopia de lógica quântica foi utilizada para ler os estados do íon magnésio. Na imagem inserida acima, a carga do íon magnésio pode ser claramente traçada, enquanto para o íon alumínio apenas a região aproximada de sua localização é conhecida (circulada em verde).
Emparelhado com um íon de magnésio, um íon de alumínio excitado por um laser altamente estável da instalação JILA (cujo canal óptico teve que ser puxado por comunicações subterrâneas por uma distância de 3,6 km) demonstrou extraordinária estabilidade, estabilidade de oscilação e incrível precisão de “tique-taque”. Isso nos permite falar de um novo recorde na precisão de relógios atômicos — até a 19ª casa decimal, ou 40% mais preciso do que em plataformas anteriores.
O novo relógio permite medir o tempo muito mais rapidamente do que os anteriores. Em particular, se antes cada medição levava semanas, agora foi reduzido para um dia e meio. O fator limitante foi o curto tempo de retenção do estado excitado do íon – em apenas 150 ms. A modernização da instalação aumentou esse tempo para um segundo.
A precisão e a estabilidade sem precedentes da cronometragem permitirão novos avanços na física fundamental, possibilitando uma busca mais aprofundada por violações das propriedades das partículas elementares dentro do atual Modelo Padrão. A ciência considera as propriedades das partículas constantes, mas isso pode ser resultado de medições insuficientemente precisas. Novos relógios atômicos mais avançados ajudarão a verificar isso. Eles também serão úteis para o desenvolvimento da lógica quântica, a avaliação da eficácia das arquiteturas quânticas e em muitas outras áreas das ciências físicas. Em última análise, eles nos permitirão fazer as perguntas certas ao Universo.