Relógio atômico ultrapreciso dobra a precisão anterior e pode detectar matéria escura: WebCuriosos

Tempo: Ele se curva e deforma, ou parece acelerar ou desacelerar, dependendo da sua posição ou percepção. Portanto, medir com precisão a sua passagem é uma das tarefas mais fundamentais da física – o que poderia ajudar-nos a pousar em Marte ou mesmo a observar a matéria escura.

Agora, físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) e da Universidade de Delaware desenvolveram o relógio atômico mais exato e preciso até agora, usando uma “teia” de luz para capturar e excitar uma nuvem difusa de átomos frios de estrôncio.

“Este relógio é tão preciso que pode detectar pequenos efeitos previstos por teorias como a relatividade geral, mesmo em escala microscópica,” diz Jun Ye, físico do Instituto Conjunto de Astrofísica Laboratorial do NIST (ATOR) laboratório da Universidade do Colorado. “É ultrapassar os limites do que é possível com a cronometragem.”

Com uma precisão sistemática total de 8,1 x 10^-19o relógio de estrôncio é duas vezes mais preciso e preciso que o recordista anterior.

O NIST é um lugar onde os investigadores mexem com tecnologias para aumentar a precisão das medições padrão globais, como a unidade internacional de tempo; o segundo.

Onde um bloco sólido de material pode ser usado para representar uma unidade de massa, o tempo carece de propriedade física persistente podemos retornar para uma medição consistente. Em vez disso, confiamos em padrões que se repetem de forma confiável, como a rotação da Terra, o balanço de um pêndulo ou o zumbido de um pedaço eletrificado de quartzo.

Por mais previsível que seja, até a rotação da Terra diminui e acelera em incrementos. Encontrar padrões na natureza que possam ser medidos de maneiras que variem em graus mínimos levaria a medidas de cronometragem cada vez mais precisas.

Um desses padrões é o tremor dos elétrons excitados em torno de um átomo. O segundo padrão, por exemplo, é definido por o 'salto' de elétrons específicos orbitando um átomo de césio. Energizados por microondas de uma frequência específica, eles entram em estados de energia mais elevados e descem novamente 9.192.631.770 vezes por segundo.

Primeiro desenvolvido em 1955 e aprimorados desde então, os melhores relógios atômicos de césio da atualidade marcam a hora com precisão de trezentos milionésimos de segundo por ano. Seu relógio de pulso de quartzo, em comparação, perde ou ganha cerca de 180 segundos (ou 3 minutos) a cada ano.

Os cientistas de medição estão, no entanto, considerando redefinindo o segundo na próxima década porque as tecnologias do relógio atómico estão a avançar rapidamente.

Nas últimas duas décadas, relógios atômicos que excitam átomos ou íons com comprimentos de onda de luz mais curtos que as microondas vieram à tona, estabelecendo registros para estabilidade e precisão.

Este novo relógio atômico, desenvolvido pelo físico da JILA Alexander Aeppli e colegas, está muito à frente do melhor relógio de rede óptica anteriorque Ye e outros colegas da JILA ajudaram a desenvolver em 2019.

“Ele define a referência de precisão de todos os relógios ópticos relatados até o momento”, Aeppli, Ye e colegas escreva em sua pré-impressãodescrevendo o novo relógio.

Na sua “teia” unidimensional de luz laser, o relógio captura dezenas de milhares de átomos de estrôncio, oferecendo um nível mais elevado de precisão. A teia rasa de luz, operando em um vácuo ultra-alto sobre uma fina camada de átomos de estrôncio superfrios, também minimiza erros, reduzindo os efeitos desestabilizadores dos lasers e dos átomos que colidem uns com os outros.

Com esta precisão subjacente à sua exatidão, espera-se que o relógio perca apenas um segundo a cada 30 mil milhões de anos – o que poderia ajudar os viajantes espaciais a manter o tempo ao longo de grandes distâncias.

“Se quisermos pousar uma espaçonave em Marte com extrema precisão, precisaremos de relógios que sejam ordens de magnitude mais precisos do que os que temos hoje em GPS”, Ye diz. “Este novo relógio é um passo importante para tornar isso possível.”

Relógios cada vez mais precisos também podem registrar pequenos desvios nas oscilações dos átomos, o que pode sinalizar uma interação fraca com a matéria escura ou a atração relativística da gravidade.

“Cada ganho em estabilidade e precisão abre novos domínios de exploração, como colocar limites na matéria escura [or] investigando a relatividade geral”, os pesquisadores escrever.

Mas pode haver outras maneiras de alcançar essas novas fronteiras, além dos relógios atômicos ópticos. Os pesquisadores também têm experimentado o uso de emaranhamento quântico para marcar o tempo e excitar núcleos atômicos, e não átomos inteiros, com lasers, que poderiam ser usados ​​para criar dispositivos de cronometragem mais estáveis.

A pesquisa foi postada no arXiv servidor de pré-impressãoantes de sua publicação em Cartas de revisão físicaum periódico revisado por pares.