Cientistas de Singapura constroem relógio atômico mais preciso do mundo

A medição ultra-precisa feita por relógios atômicos não é algo novo. Na verdade, o método básico está em uso desde a década de 1960, quando a oscilação de átomos de césio (Cs) estabeleceram o padrão global para a medida do tempo. Sim, desde essa data, a passagem de um segundo corresponde exatamente à duração de 9.192.631.770 vibrações (ou ciclos de radiação) do átomo de césio-133.

Após essa definição usando césio, os cientistas têm explorado os limites da medição com outros elementos. Eles já descobriram, por exemplo, que os relógios de césio são compatíveis com o GPS (Sistema de Posicionamento Global), tornando-os capazes de sincronizar redes de comunicação e transporte. Relógios mais precisos garantem que a comunicação aconteça com o menor delay possível, permitindo uma série de atividades humanas - como a internet que você usa, os aplicativos do seu celular e etc.

Apesar de ter passado décadas imbatível, elementos como o itérbio (Yb), o estrôncio (Sr) e o alumínio (Al) demonstraram maior precisão ao serem utilizados em relógios atômicos. Essa superação é, à grosso modo, uma competição para ver qual deles “erra” menos. Ou, em outras palavras, quais elementos têm as oscilações mais rápidas.

Quando esses elementos químicos ultrapassaram as capacidades do césio, os cientistas ficaram em alerta. Não à toa, o órgão internacional responsável pelos padrões de tempo começou a considerar os resultados obtidos com esses relógios atômicos ópticos para uma possível redefinição do que se entende por “segundo” (a medida de tempo mesmo), que pode acontecer a partir de 2030.

A equipe de pesquisadores analisa o lutécio há mais de uma década. A escolha não foi ao acaso: eles acreditavam que as propriedades do elemento poderiam fazer dele um candidato interessante para construir um relógio de altíssimo desempenho. Até o momento, eles são o único grupo conhecido a utilizar o lutécio para esse tipo de cronometragem.

E os números ajudam a entender por que tanta confiança. O novo relógio conseguiu medir sua frequência com 19 casas decimais, apresentando uma incerteza de apenas 1 × 10⁻¹⁹, a menor já registrada para um relógio atômico óptico.

Os cientistas não pararam em um único relógio: eles construíram dois equipamentos iguais e colocaram os dois para trabalhar lado a lado. Depois de comparar seus “tiques”, encontraram uma "incerteza" de 5,7 × 10⁻¹⁹, resultado que representa a comparação mais precisa já feita entre dois relógios desse tipo. E, segundo a equipe, medições mais longas ainda podem diminuir esse valor.

Por que o lutécio é tão especial?

A diferença do lutécio para os demais elementos químicos está no seu próprio átomo. Acontece que a transição usada pelo relógio de lutécio sofre pouca influência de mudanças de temperatura e do campo magnético da Terra(pode até parecer um detalhe pequeno, mas não é). Em outros elementos, alterações nessas condições podem modificar a frequência usada para marcar o tempo e introduzir erros na medição.

No caso do lutécio, essa resistência às condições ambientais permite que o relógio mantenha um desempenho extremamente preciso mesmo quando o ambiente muda bastante. Para chegar a esse resultado, porém, foram necessários mais de dez anos de ajustes. Os pesquisadores estudaram diferentes características do átomo e desenvolveram, inclusive, uma técnica chamada “média hiperfina”, criada para definir com maior precisão a transição utilizada pelo relógio.

A equipe chegou a testar essa ideia em situações que parecem exageradas para um relógio. Segundo Barrett, o sistema poderia manter sua estabilidade em condições que fossem do Vale da Morte, na Califórnia, um dos lugares mais quentes da Terra, ao planalto da Antártida, uma das regiões mais frias do planeta. “Não vejo como esse relógio poderá ser superado no futuro”, afirmou, em comunicado.

Um é bom, dois é melhor ainda!

Apesar de terem todo esse conhecimento em relação ao lutécio, ainda era preciso que a equipe avaliasse a sua precisão. Para isso, os pesquisadores passaram 200 horas comparando dois equipamentos por meio de uma técnica chamada espectroscopia de correlação.

Cada relógio utilizou um único íon de lutécio-176 carregado, identificado como ¹⁷⁶Lu⁺, e sua transição de referência correspondeu a um laser com comprimento de onda de 848 nanômetros. O teste revelou que a precisão dos equipamentos é tão grande que eles conseguem perceber uma diferença na passagem do tempo provocada pela gravidade em alturas de apenas alguns milímetros.

Na comparação realizada pela equipe, os dois relógios detectaram uma diferença de 5 milímetros entre as posições dos íons, mesmo estando sobre a mesma mesa. Isso acontece porque, de acordo com a Teoria da Relatividade de Albert Einstein, o tempo passa em ritmos ligeiramente diferentes dependendo do campo gravitacional.

Para ter certeza de que essa diferença de altura não estava prejudicando o resultado, os pesquisadores mediram independentemente a posição dos íons de lutécio com precisão de aproximadamente um milímetro.

O problema é que comparar o relógio de lutécio com outros relógios ópticos de altíssima precisão não é tão simples quanto parece. Equipamentos com incertezas na ordem de 10⁻¹⁹ são capazes de perceber efeitos gravitacionais provocados por diferenças de altura tão pequenas que as próprias variações do campo gravitacional da Terra passam a ser um obstáculo para a comparação.

Agora, para descobrir até onde a tecnologia pode chegar, os pesquisadores pretendem colocar o relógio para viajar. Como o equipamento ocupa, hoje, uma estrutura de escala laboratorial, porém, ainda será necessário o reduzir para o tamanho de um sistema que possa ser transportado.

A ideia é reduzir seu tamanho sem sacrificar a precisão conquistada depois de mais de uma década de pesquisa. Se possível, o relógio atômico será utilizado para medir pequenas alterações no campo gravitacional, testar teorias da física fundamental e aperfeiçoar sistemas que dependem de medições precisas.