Super-radiância poderá tornar os relógios atómicos ainda mais precisos

Os minúsculos átomos que vibram como um tique-taque são a referência mais rigorosa que temos para medir a passagem do tempo. Suspensos em complexas redes magnéticas ultrafrias, são analisados com lasers que permitem medir as suas oscilações de um lado para o outro.

Contudo, o próprio processo de medição pode deteriorar estes relógios atómicos. Os lasers aquecem os átomos, que acabam por escapar para o vazio. Segundo descobriram físicos, um fenómeno quântico denominado super-radiância poderá resolver este problema e tornar ainda mais rigorosos os relógios mais precisos da Terra.

"Como os átomos têm de ser constantemente substituídos por átomos novos, o relógio perde uma quantidade ínfima de tempo enquanto os novos átomos são preparados", explica o físico Eliot Bohr, anteriormente da Universidade de Copenhaga e actualmente na Universidade do Colorado.

"Por isso, estamos a tentar ultrapassar alguns dos desafios e limitações actuais dos melhores relógios atómicos do mundo, nomeadamente reutilizando os átomos para que não precisem de ser substituídos com tanta frequência."

Como funciona um relógio atómico de estrôncio

Como seria de esperar, construir um relógio atómico é um processo complexo. É necessário reunir vários átomos - neste caso, de estrôncio, embora o césio e o itérbio também sejam escolhas comuns -, submetê-los a condições específicas para os manter aprisionados e medir as suas oscilações.

Os átomos de estrôncio são criados num forno quente, onde o estrôncio sólido é aquecido até formar vapor. Depois de serem expelidos do forno, estes átomos são desacelerados e arrefecidos, numa câmara de vácuo, até à temperatura extremamente baixa de -273 graus Celsius, apenas uma fracção acima do zero absoluto. A equipa acrescentou ainda dois espelhos à câmara, criando uma cavidade óptica que só permite que determinados padrões de luz se reflictam repetidamente.

"Quando os átomos chegam à câmara de vácuo, ficam completamente imóveis devido ao frio, o que permite registar as suas oscilações através dos dois espelhos colocados em extremidades opostas da câmara", explica Bohr.

Os relógios atómicos já são extremamente precisos. O mais exacto até agora, anunciado há apenas um mês numa pré-publicação, é um relógio de estrôncio capaz de funcionar durante 40 mil milhões de anos sem perder tempo.

À primeira vista, melhorar ainda mais esta precisão pode parecer excessivo. Porém, a cronometragem rigorosa é extraordinariamente útil, desde a medição do mundo físico e a navegação até aos testes da relatividade.

Super-radiância para reutilizar os átomos

Por isso, Bohr e os seus colegas procuraram uma forma de construir um relógio atómico que não perdesse átomos, recorrendo para tal à super-radiância. Este fenómeno ocorre quando um grupo de átomos excitados sincroniza a separação das suas cargas e emite colectivamente 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 única unidade. Em conjunto, emitem um sinal luminoso potente que podemos utilizar para determinar o estado atómico, uma etapa essencial na medição do tempo", afirma Bohr.

"Este método aquece os átomos muito pouco, pelo que tudo acontece sem os substituir, tendo potencial para se tornar um método de medição mais preciso."

Uma demonstração de conceito para a cronometragem

Nesta fase, os avanços experimentais da equipa encontram-se ainda na etapa de demonstração de conceito. O trabalho mostra que a abordagem é viável; o próximo passo será desenvolvê-la e aperfeiçoá-la para orientar a área da cronometragem numa nova direcção ultraprecisa.

"O nosso esquema é uma abordagem inovadora para a leitura do estado atómico, caracterizada pela rapidez, simplicidade e emissão altamente direccional de fotões de sinal", escrevem os investigadores no artigo.

"Os benefícios imediatos proporcionados pelo nosso esquema poderiam ser aplicados a qualquer sensor quântico que dependa da leitura da diferença de população de um estado quântico."

A investigação foi publicada na Nature Communications.