Resumo:
Pesquisadores do Centro de Tecnologia Quântica da Universidade Nacional de Cingapura anunciaram recentemente um importante progresso na área de relógios atômicos. Eles usaram o elemento de terra rara lutécio para criar um novo tipo de relógio atômico óptico e, por meio de uma comparação precisa entre dois relógios atômicos do mesmo tipo, a incerteza do sistema foi reduzida para 1,2×10⁻¹⁹. A equipe de pesquisa acredita que este resultado torna o relógio atômico de lutécio um dos dispositivos de cronometragem mais precisos atualmente disponíveis, e espera-se que se torne uma tecnologia candidata para redefinir o "segundo" no Sistema Internacional de Unidades no futuro.
Este estudo surge no momento em que a comunidade metrológica global está considerando se a definição básica de “segundo” precisa ser redefinida. Um segundo no atual Sistema Internacional de Unidades é definido com base na frequência de transição entre os dois níveis de energia hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133, que é 9192631770 transições específicas de microondas. O césio tem sido o material central dos relógios atômicos desde a década de 1960, mas com o rápido desenvolvimento da tecnologia de relógios atômicos ópticos, a próxima geração de relógios atômicos feitos com elementos como estrôncio, itérbio e cálcio foi capaz de alcançar uma precisão muito maior do que os relógios atômicos de césio tradicionais.
O princípio básico dos relógios atômicos ópticos é usar lasers para controlar com precisão os elétrons nos átomos, fazendo com que os elétrons façam a transição entre dois estados quânticos, e medir o tempo medindo a frequência dessa transição. A transição quântica dos elétrons pode ser entendida como um “pêndulo” extremamente estável. Desde que esta oscilação possa ser controlada e medida com precisão suficiente, uma base de tempo excepcionalmente precisa pode ser obtida.
O lutécio interessa aos pesquisadores porque o elemento possui algumas propriedades que o tornam ideal para a construção de relógios atômicos de alta precisão. O lutécio é um elemento lantanídeo com grande massa atômica e sua estrutura eletrônica o torna relativamente menos afetado por fatores ambientais. Em particular, não é sensível à radiação térmica e às mudanças no campo magnético, por isso pode reduzir os erros sistemáticos causados por fatores ambientais no processo de temporização.
Os pesquisadores disseram que esta característica do relógio atômico de lutécio significa que mesmo que a temperatura ambiente mude significativamente ou as condições do campo magnético mudem, o relógio atômico ainda pode manter um desempenho de cronometragem relativamente estável. Murray Barrett, líder da equipa de investigação e físico da Universidade Nacional de Singapura, disse mesmo que se este relógio atómico for transportado de um ambiente de temperatura extremamente elevada, como o Vale da Morte, nos Estados Unidos, para um ambiente de temperatura extremamente baixa, como o Planalto Antártico, ainda poderá manter uma estabilidade muito elevada.
O lutécio também tem uma vantagem muito importante, ou seja, a sua frequência de transição atómica associada é muito elevada, cerca de 10.000 vezes a frequência utilizada pelos relógios atómicos de césio. Uma frequência de "tick" mais alta significa que mais ciclos de medição podem ser obtidos por unidade de tempo, fornecendo assim a base para medições de tempo de precisão extremamente alta.
No entanto, o lutécio também é um dos elementos de terras raras mais raros da Terra e também é um elemento relativamente pouco estudado. Isto significa que, embora em teoria seja adequado como material de relógio atómico, os cientistas não compreenderam totalmente como os átomos de lutécio realmente se comportam num ambiente de cronometragem de alta precisão.
A equipe de Murray Barrett trabalha em relógios atômicos de lutécio há cerca de 10 anos. No último experimento, os pesquisadores construíram dois relógios atômicos de íon lutécio e os compararam de acordo com padrões metrológicos rígidos. Através de anos de dados experimentais acumulados e pesquisas aprofundadas sobre as características dos próprios íons lutécio, a equipe finalmente reduziu a incerteza do sistema para 1,2×10⁻¹⁹.
Este número representa a escala de erro sistemático que um relógio atômico pode ter ao medir sua própria frequência. Para entender quão alta é essa precisão, pense nela como uma pequena fração da incerteza por 10¹⁹ unidades de tempo. Anteriormente, pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências usaram relógios atômicos de íons de cálcio este ano para atingir uma incerteza do sistema de 4,4×10⁻¹⁹, então o 1,2×10⁻¹⁹ anunciado pela equipe de Singapura atualizou ainda mais este indicador.
No entanto, medir a precisão dos relógios atômicos também é uma tarefa extremamente difícil. Depois de atingir este nível, mesmo as diferenças na própria gravidade da Terra não podem mais ser ignoradas. De acordo com a relatividade geral, quanto mais forte a força da gravidade, mais lento o tempo passa. Com este nível de precisão, mesmo uma diferença de altura de apenas alguns milímetros entre dois relógios atómicos poderia produzir uma diferença horária suficientemente grande para afectar os resultados experimentais devido às suas diferentes distâncias do núcleo da Terra.
Por outras palavras, quando os cientistas cortam um segundo em biliões ou mais de intervalos de tempo extremamente pequenos, as diferenças gravitacionais extremamente fracas entre diferentes locais da superfície da Terra podem tornar-se variáveis importantes na experiência. Portanto, o laboratório de relógios atômicos não precisa apenas controlar condições como temperatura, campo magnético, laser, etc., mas também medir a posição e a altura dos dois relógios com extrema precisão.
E esta incrível sensibilidade é precisamente um dos valores científicos mais importantes da próxima geração de relógios atômicos. Como o tempo é afetado pelos campos gravitacionais, se os relógios atômicos forem suficientemente precisos, os cientistas poderão até medir diferenças extremamente pequenas na gravidade, comparando as mudanças no tempo em diferentes locais. Esta capacidade poderá ser usada no futuro para medições precisas da Terra, como o estudo de estruturas subterrâneas, mudanças geológicas e mudanças sutis no campo gravitacional da Terra.
Mais importante ainda, relógios atômicos de altíssima precisão também podem ser usados em pesquisas de física básica. Os cientistas esperam usar estes dispositivos para procurar contradições não resolvidas entre a relatividade geral e a mecânica quântica e para explorar uma nova física além do Modelo Padrão. Por exemplo, se certos parâmetros considerados constantes fundamentais na natureza realmente mudam ligeiramente ao longo do tempo ou do ambiente, então um relógio atômico suficientemente preciso poderá ser capaz de capturar esta anomalia.
Ao mesmo tempo, novos relógios atômicos ópticos também promovem mudanças no sistema metrológico internacional. À medida que vários relógios atômicos, como estrôncio, itérbio, íons de alumínio, íons de cálcio e lutécio continuam a estabelecer recordes de precisão, a comunidade científica internacional está estudando se a definição atual de "segundo" baseada na transição de microondas dos átomos de césio deve ser substituída por padrões de frequência óptica no futuro.
Em comparação com os relógios atômicos de césio tradicionais, a frequência operacional dos relógios atômicos ópticos é várias ordens de magnitude maior, portanto, em teoria, ele pode fornecer uma referência de tempo mais precisa. Se a comunidade metrológica internacional decidir redefinir o “segundo” no futuro, estes relógios atómicos ópticos tornar-se-ão importantes tecnologias candidatas.
A equipe de Singapura acredita que o relógio atômico de lutécio tem um potencial particular porque não só pode atingir uma precisão extremamente alta, mas também é relativamente menos sensível às mudanças no ambiente externo, o que significa que é possível criar um sistema de cronometragem de alta precisão mais estável e prático no futuro.
É claro que 1,2×10⁻¹⁹ ainda é a incerteza do sistema obtida em condições de laboratório, e isso não significa que este relógio atômico possa manter exatamente o mesmo desempenho em qualquer ambiente. Os investigadores também precisam de realizar mais medições e validação cruzada sob diferentes condições para confirmar ainda mais este registo e continuar a reduzir possíveis erros sistemáticos.
A equipe de pesquisa acredita que, à medida que o experimento continua, há espaço para melhorias adicionais na precisão do relógio atômico de lutécio. O líder da equipe, Murray Barrett, acredita até que, a julgar pelo percurso técnico atual, será difícil encontrar uma solução que possa facilmente superar esta arquitetura no futuro.
Esta pesquisa foi publicada na revista Nature. Se experiências subsequentes puderem verificar melhor o desempenho do relógio atômico de lutécio, ele poderá não apenas se tornar um candidato importante para a próxima geração de referências de tempo globais, mas também poderá se tornar uma nova ferramenta para estudar a gravidade, a matéria escura e as leis físicas básicas. Em outras palavras, este dispositivo que parece estar apenas “marcando o tempo com mais precisão” está, na verdade, elevando a capacidade da humanidade de medir as leis básicas do universo a uma escala sem precedentes.
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