Uma equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) construiu recentemente o relógio mais preciso do mundo. Alimentado por um único íon de alumínio em seu núcleo, o novo relógio atômico óptico permite medições de tempo extremamente precisas, com uma incerteza de frequência fracionária tão baixa quanto 5,5 × 10⁻¹⁹ – o que significa que leva um segundo mais rápido ou mais lento que a idade do universo. Ao mesmo tempo, a estabilidade de frequência fracionária do relógio atinge 3,5 × 10⁻¹⁶/√τ segundos, o que é 2,6 vezes maior do que outros relógios iônicos atuais.

(Da esquerda para a direita) Mason Marshall, David Hume, Willa Arthur-Dvorak e Daniel Rodriguez-Castillo estão em frente ao relógio atômico de íon de alumínio do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Após melhorias recentes, o relógio atômico não só abrirá caminho para a redefinição do segundo, mas também permitirá novas explorações na física.

Os relógios atômicos ópticos são avaliados pela precisão (quão próximos estão do tempo "verdadeiro") e pela estabilidade (consistência das medições). A conquista desse recorde se deve aos 20 anos de pesquisa e desenvolvimento contínuos e otimização do laser, da armadilha de íons e da cavidade de vácuo do relógio atômico de íons de alumínio. “É emocionante estar envolvido no desenvolvimento de relógios mais precisos”, disse o pesquisador do NIST Mason Marshall, primeiro autor do artigo.

O relógio é baseado em medições de espectroscopia de lógica quântica de um único íon ²⁷Al⁺, com um íon ²⁵Mg⁺ preso nele para auxiliar no “resfriamento homomórfico” e na leitura do estado do íon de alumínio. A “batida” do alumínio é extremamente estável e tem impacto mínimo na temperatura e no campo magnético. É muito adequado para medição de tempo, mas o controle do laser é difícil. Os íons de magnésio são mais fáceis de controlar, por isso são usados ​​para auxiliar no resfriamento e permitir que os pesquisadores leiam indiretamente o sinal dos íons de alumínio.

Inovações importantes da equipe de pesquisa incluem a extensão do tempo de detecção de Rabi para 1 segundo, o que é conseguido através da transmissão estável da luz laser de uma cavidade de silício ultrafria remotamente do laboratório JILA para o laboratório da equipe NIST (3,6 quilômetros de distância). Esta tecnologia reduz a instabilidade do relógio em cerca de um terço em comparação com os relógios anteriores de íons de alumínio.

O físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), David Hume, segura uma armadilha de íons recentemente modificada para um relógio de íons de alumínio. Ao modificar a armadilha, os íons de alumínio e suas partículas parceiras de íons de magnésio podem continuar a funcionar sem serem perturbados.

Além disso, a equipe também fez um novo design da armadilha de íons para reduzir micromovimentos redundantes (tais pequenos movimentos inesperados afetarão a precisão do tempo); eles selecionaram pastilhas de diamante mais espessas e ajustaram o revestimento metálico dos eletrodos para corrigir o desequilíbrio do campo elétrico. A câmara de vácuo também foi atualizada para liga de titânio e a quantidade de hidrogênio de fundo foi reduzida em 150 vezes, o que estende muito o tempo de "retenção" dos íons no dispositivo e reduz o erro de colisão das moléculas de hidrogênio.

A equipe também realizou medições de sensibilidade da direção do campo magnético AC na armadilha de radiofrequência, eliminando a incerteza causada pela orientação do campo magnético.

Uma nova armadilha de íons aprimorada para o relógio de íons de alumínio do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). A inserção mostra uma imagem CCD de um par de íons alumínio-magnésio. O círculo marca a localização do íon de alumínio - esse íon é escuro para a câmera porque só pode ser lido por meio de espectroscopia de lógica quântica por meio de íons de magnésio.

Várias inovações permitem que o relógio atinja 19 casas decimais de precisão em cerca de 36 horas, em vez de três semanas atrás. A estudante de pós-graduação do NIST, Willa Arthur-Dworschack, disse: "Com esta plataforma, exploraremos novas estruturas de relógios multi-íon e até mesmo íons emaranhados para melhorar ainda mais as capacidades de medição."

Espera-se que este avanço redefina a duração do "segundo" com maior precisão e abra novas perspectivas nos campos das ciências da terra e da física básica, incluindo questões científicas básicas, como a verificação se as constantes da natureza são verdadeiramente constantes.