Relógios atômicos são a base da medição de tempo moderna. Eles ditam o ritmo de satélites GPS, redes de telecomunicações, sistemas bancários e até de experimentos em física fundamental. Agora, uma equipe do Massachusetts Institute of Technology (MIT) conseguiu um avanço notável: dobrar a precisão dos relógios atômicos ópticos ao “silenciar” o ruído quântico que normalmente limita sua estabilidade.
A descoberta, publicada na revista Nature, envolve uma nova técnica batizada de global phase spectroscopy, uma forma de medir as oscilações de átomos de maneira mais limpa e sensível, aproveitando efeitos quânticos que antes eram considerados irrelevantes.
O ruído quântico
Um relógio atômico mede o tempo observando o “tic-tac” natural de átomos que alternam entre estados de energia. Cada átomo vibra a uma frequência incrivelmente alta, por exemplo, o césio oscila mais de 10 bilhões de vezes por segundo. Relógios ópticos, ainda mais precisos, usam átomos como o itérbio, que vibra até 100 trilhões de vezes por segundo.
Para acompanhar essas oscilações, lasers são ajustados para vibrar na mesma frequência dos átomos. O problema é que, em escala quântica, esses átomos não são relógios perfeitos. A incerteza inerente da mecânica quântica introduz um tipo de “estática microscópica”, o chamado ruído quântico, que limita o quanto podemos medir com precisão a frequência real do átomo.
Mesmo com técnicas de entrelaçamento quântico, que já haviam melhorado a precisão em estudos anteriores do MIT, os cientistas ainda enfrentavam oscilações residuais entre o laser e os átomos que atrapalhavam a estabilidade a longo prazo.
A equipe liderada por Vladan Vuletić, professor de física do MIT, e por Leon Zaporski, primeiro autor do estudo, descobriu que era possível explorar um efeito até então negligenciado. Quando a luz do laser passa por uma nuvem de átomos entrelaçados, ela eleva brevemente seus níveis de energia e, ao retornarem ao estado original, os átomos mantêm uma leve “memória” da interação, uma alteração chamada fase global.
Tradicionalmente, acreditava-se que essa fase não continha informação útil. Mas o grupo do MIT demonstrou que ela, na verdade, registra pequenas variações na frequência do laser, permitindo que ele seja estabilizado com muito mais precisão.
Com isso, os pesquisadores conseguiram ajustar o laser de referência de forma mais fina, reduzindo as incertezas e dobrando a precisão do relógio óptico. A técnica ainda foi combinada a métodos já conhecidos para eliminar ruído residual e proteger o sistema contra variações de acoplamento entre luz e átomos.
“O laser herda o tic dos átomos”, explica Zaporski. “Mas para manter essa herança por muito tempo, o laser precisa ser extremamente estável e é exatamente isso que conseguimos melhorar.”
Um novo passo para a metrologia e a física fundamental
A precisão obtida com o novo método é duas vezes superior à de relógios ópticos convencionais, representando um salto considerável em uma área onde cada milésimo de ganho exige enorme esforço técnico. Os pesquisadores também observaram que o ganho cresce proporcionalmente ao número de átomos utilizados, indicando potencial para avanços ainda maiores com sistemas de maior escala.
De acordo com Vuletić, essa estabilidade aprimorada pode permitir que relógios ópticos deixem os laboratórios e sejam usados em campo, em aplicações que vão desde detecção de matéria escura e energia escura, até testes de constantes fundamentais da natureza e monitoramento sísmico. “Esses relógios podem, um dia, até ajudar a prever terremotos”, afirmou o pesquisador.
Os experimentos foram realizados com átomos de itérbio resfriados e entrelaçados em uma cavidade óptica de alta precisão, e o estudo contou com o apoio de instituições como a DARPA, a National Science Foundation (NSF) e o Departamento de Energia dos EUA.
Rumo à era dos relógios quânticos
Relógios ópticos de nova geração já haviam superado o desempenho dos modelos baseados em micro-ondas, como os de césio, que definem a métrica oficial de segundo. Mas ainda careciam de estabilidade suficiente para uso prático fora de ambientes controlados.
Com a global phase spectroscopy, o MIT oferece um caminho para superar essa barreira. O método reduz o ruído quântico ao mínimo e aproveita informações sutis do comportamento coletivo dos átomos, permitindo medições ultraprecisas que se aproximam do limite fundamental da física quântica.
À medida que essas tecnologias evoluem, o tempo, conceito aparentemente fixo, se torna uma ferramenta cada vez mais poderosa. Relógios assim não servem somente para medir segundos, mas para investigar o próprio tecido do universo.
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