Novo relógio atômico é tão preciso que só atrasaria um segundo em 30 bilhões de anos
Com estabilidade sem precedentes, aparelho permite testar teorias sobre gravidade e variações nas leis fundamentais do Universo.
Imagine um relógio tão preciso que, mesmo funcionando sem parar desde antes do surgimento da Terra, ele ainda não teria errado um segundo sequer. Parece ficção científica, mas é real.
Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) anunciaram uma nova versão do seu relógio atômico que bate todos os recordes conhecidos. Segundo eles, seriam necessários cerca de 30 bilhões de anos – mais que o dobro da idade atual do Universo – para que esse relógio adiantasse ou atrasasse um único segundo.
Esse nível de precisão não é apenas uma façanha tecnológica. Ele abre espaço para experimentos científicos completamente novos, desde investigações sobre as leis fundamentais da física até formas mais avançadas de medir a gravidade do planeta.
Ele também pode influenciar sistemas como GPS, internet e telecomunicações, que dependem fortemente da medição exata do tempo. Os resultados do estudo foram publicados na Physical Review Letters.
O coração do novo relógio é um minúsculo íon de alumínio – uma partícula com carga elétrica – preso e resfriado quase até o zero absoluto. Essa é a temperatura mais baixa possível, um estado em que as partículas quase param de de mexer. Nessa temperatura, o íon vibra em um ritmo extremamente estável. Os cientistas usam lasers para contar essas vibrações, sendo essa uma unidade de tempo bastante precisa.
“É empolgante trabalhar no relógio mais preciso já criado”, disse Mason Marshall, um dos pesquisadores do projeto, em comunicado. “No NIST, temos a oportunidade de executar planos de longo prazo em medições de precisão que impulsionam a física e nossa compreensão do mundo.”
Para chegar a esse resultado, os cientistas precisaram superar vários desafios técnicos. O alumínio é ótimo para medir o tempo, mas muito difícil de controlar diretamente com lasers. Por isso, eles usaram um segundo íon, de magnésio, como uma espécie de assistente. O magnésio é mais fácil de manipular e serve para “segurar a mão” do íon de alumínio durante o processo.
“O íon de magnésio resfria o íon de alumínio, desacelerando-o. Ele também se move em conjunto com seu parceiro, e o estado do relógio pode ser lido por meio do movimento do íon de magnésio”, explicaram os pesquisadores. Essa técnica é conhecida como “relógio de lógica quântica”.
O novo relógio é fruto de duas décadas de trabalho. A cada etapa, a equipe foi aperfeiçoando partes invisíveis para o olhar humano, mas fundamentais para o desempenho. Por exemplo: eles reconstruíram a armadilha que segura os íons para reduzir micromovimentos que atrapalhavam a medição. Trocaram o material da base, reforçaram os revestimentos de ouro e ajustaram o equilíbrio elétrico interno.
Até a câmara onde o relógio opera teve que ser redesenhada. O modelo anterior era feito de aço, mas o material liberava pequenas quantidades de hidrogênio, que colidiam com os íons e interrompiam o experimento. A nova versão, em titânio, reduziu esse efeito em 150 vezes e aumentou a autonomia do sistema: antes, era preciso reiniciar o relógio a cada meia hora; agora, ele pode funcionar por dias.
O laser também ganhou reforço. A equipe se conectou ao laboratório de Jun Ye, outro especialista em relógios atômicos, que enviou seu feixe ultrastável por 3,6 km de fibra óptica. Esse laser, considerado um dos mais confiáveis do mundo, ajudou a melhorar ainda mais a estabilidade do novo modelo.
Com todas essas melhorias, o relógio do NIST não apenas se tornou 41% mais preciso que o recordista anterior, como também 2,6 vezes mais estável. Em vez de precisar de três semanas para alcançar sua máxima precisão, ele agora consegue o mesmo em apenas um dia e meio.
Para que serve tanta exatidão?
No cotidiano, um atraso de microssegundos não faz diferença na vida de (quase) ninguém. Mas para tecnologias como o GPS, esse detalhe é fundamental. Pequenos erros na contagem do tempo podem resultar em desvios de quilômetros na localização de um aparelho.
Além disso, relógios ultracertos são essenciais para sincronizar redes de internet, operações financeiras internacionais e até experimentos em física quântica.
Com o novo modelo, cientistas poderão explorar outras possibilidades: testar se as “constantes” da natureza – como a velocidade da luz ou a força da gravidade – realmente nunca mudam. Ou estudar com mais precisão a forma do planeta Terra e suas variações gravitacionais.
“Com essa base, estamos prontos para explorar novas arquiteturas de relógio – como aumentar o número de íons ou até entrelaçá-los quanticamente – e ampliar ainda mais nossa capacidade de medição”, disse Willa Arthur-Dworschack, uma das pesquisadoras do projeto, em nota.
Desde 1967, a definição oficial de segundo é baseada nas vibrações do átomo de césio. Mas com relógios como esse, cada vez mais precisos e confiáveis, a ciência já começa a discutir uma possível redefinição. E o íon de alumínio pode ser o protagonista dessa nova era.
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