Superradiância pode resolver os desafios de precisão dos relógios atômicos: WebCuriosos

Minúsculos átomos são a métrica pela qual avaliamos com mais precisão a passagem do tempo. Enquanto eles ficam suspensos em complicadas teias ultrafrias de magnetismo, nós os sondamos com lasers para medir suas oscilações.

O próprio ato de medição, porém, pode causar a degradação desses relógios atômicos. Os lasers aquecem os átomos e eles escapam para o vazio. Um fenômeno quântico chamado superradiância poderia, descobriram os físicos, resolver esse problema – tornando os relógios mais precisos da Terra ainda mais precisos.

“Como os átomos precisam constantemente ser substituídos por novos átomos, enquanto novos átomos estão sendo preparados, o relógio perde um pouco o tempo,” explica o físico Eliot Bohranteriormente da Universidade de Copenhague, agora na Universidade do Colorado.

“Portanto, estamos tentando superar alguns dos atuais desafios e limitações dos melhores relógios atômicos do mundo, entre outras coisas, reutilizando os átomos para que não precisem ser substituídos com tanta frequência”.

Um relógio atômico, como você provavelmente pode imaginar, é uma máquina complicada de construir. Você precisa pegar um monte de átomos – neste caso, estrôncio, embora o césio e o itérbio também sejam escolhas populares – e submetê-los a certas condições para prendê-los no lugar e medir suas oscilações.

Os átomos de estrôncio são produzido em forno quenteque aquece o estrôncio sólido para produzir vapor. Esses átomos são ejetados do forno, depois desacelerados e resfriados até a temperatura extremamente baixa de -273 graus Celsius, apenas uma fração acima do zero absoluto, em uma câmara de vácuo à qual a equipe adicionou dois espelhos, formando o que é conhecido como cavidade óptica. que permite apenas que certos padrões de luz sejam refletidos para frente e para trás.

“Quando os átomos pousam na câmara de vácuo, ficam completamente imóveis porque está muito frio, o que torna possível registar as suas oscilações com os dois espelhos em extremidades opostas da câmara,” Bohr explica.

Agora, os relógios atômicos já são muito precisos. O mais preciso até agora, anunciado há apenas um mês em uma pré-impressãoé um relógio de estrôncio que pode funcionar por 40 bilhões de anos sem perder tempo.

Então você pode pensar que refinar a precisão é dourar o lírio, mas a cronometragem precisa é na verdade extraordinariamente útil, para aplicações como medição do mundo físico, navegação, para testes de relatividade.

Então Bohr e seus colegas queriam encontrar uma maneira de construir um relógio atômico que não perdesse átomos e, para isso, recorreram à superradiância. É quando um grupo de átomos excitados sincroniza a separação de suas cargas, emitindo coletivamente 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 unidade única. Coletivamente, eles emitem um poderoso sinal de luz que podemos usar para ler o estado atômico, uma etapa crucial para medir o tempo,” Bohr diz.

“Este método aquece minimamente os átomos, então tudo acontece sem substituir os átomos, e isso tem o potencial de torná-lo um método de medição mais preciso.”

Neste ponto, os desenvolvimentos experimentais da equipe estão em fase de prova de conceito. O seu trabalho mostra que é possível; agora precisa ser desenvolvido e refinado para avançar no campo da cronometria em uma direção nova e ultraprecisa.

“Nosso esquema é uma abordagem inovadora para leitura do estado atômico, caracterizada por sua velocidade, simplicidade e emissão altamente direcional de fótons de sinal,” os pesquisadores escrevem em seu artigo.

“Os benefícios imediatos oferecidos pelo nosso esquema poderiam ser aplicados a qualquer sensor quântico que dependa da leitura da diferença populacional de um estado quântico.”

A pesquisa foi publicada em Comunicações da Natureza.