Relógios sincronizados com precisão abrem caminho para uma nova ciência

Nov 03, 2023

Dos relógios de pêndulo do século XVII aos cronômetros de última geração baseados em transições atômicas, a capacidade humana de marcar o tempo evoluiu dramaticamente. Os pesquisadores deram agora um passo além e mostraram que dois relógios podem ser perfeitamente sincronizados a uma distância de várias centenas de quilômetros usando significativamente menos energia do que o necessário anteriormente. Este avanço abre caminho para a criação de redes de relógios sincronizados baseados no solo e no espaço, o que poderia facilitar investigações geodésicas da estrutura da Terra e pesquisas de matéria escura e ondas gravitacionais.

“É muito engraçado quando você tem tantos dígitos.”

A maioria das pessoas, exceto talvez atletas de elite, não pensa em períodos de tempo inferiores a um segundo. Mas Laura Sinclair, física do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Boulder, Colorado, preocupa-se regularmente com um domínio do tempo totalmente diferente: os femtossegundos. Um femtossegundo é um milionésimo de bilionésimo (quatrilionésimo) de segundo, ou 15 dígitos após a vírgula decimal. Mesmo os programas de computador muitas vezes têm dificuldade em lidar com esse nível de precisão, disse Sinclair. “É muito engraçado quando você tem tantos dígitos.”

Sinclair e seus colegas conduziram agora um experimento no Havaí usando pulsos de luz laser para sincronizar com precisão e eficiência dois relógios até o nível dos attossegundos – os irmãos ainda mais curtos dos femtossegundos.

Outra equipa de investigadores demonstrou recentemente uma ligação semelhante ao longo de uma distância de 113 quilómetros, mas a sua experiência exigiu quantidades muito, muito maiores de energia e instrumentação especializada que compensasse a turbulência atmosférica.

Na nova experiência, Sinclair e os seus colaboradores trabalharam no Observatório Mauna Loa, uma estação de investigação atmosférica no flanco norte de Mauna Loa, na Ilha Grande do Havai. A equipe disparou dois lasers, cada um produzindo pulsos de luz 200 milhões de vezes por segundo, em direção a um pequeno telescópio localizado no cume do Haleakalā, em Maui. A óptica modificada do telescópio reflectiu a luz de volta para Mauna Loa, uma viagem de ida e volta de cerca de 300 quilómetros, e Sinclair e os seus colegas registaram os tempos de chegada dos impulsos individuais, que funcionam como “tique-taques” de um relógio muito preciso.

Tal como os astrónomos que trabalham na vizinha Mauna Kea, os investigadores recolheram os seus dados principalmente à noite. Mas a luz do sol não era o que Sinclair e seus colegas esperavam evitar; em vez disso, a equipe procurou fugir das nuvens. Todas as manhãs, as nuvens tendem a subir até a altitude do Observatório Mauna Loa (cerca de 3.400 metros) antes de finalmente afundarem abaixo do observatório em algum lugar entre 17h e 22h. Um feixe de laser fraco não é páreo para as nuvens, disse Sinclair. “Cento e cinquenta quilómetros de nuvens são suficientes para parar o seu feixe de laser infravermelho próximo.”

Os pesquisadores sincronizaram a saída de seus dois lasers com uma precisão de 0,32 femtossegundos (320 attossegundos). Isso é comparável à precisão obtida com uma abordagem diferente, mas os lasers que Sinclair e seus colaboradores usaram eram alimentados por apenas 270 femtowatts, ou 270 milionésimos de bilionésimo de watt. Dezenas de nanowatts de energia eram necessários anteriormente, portanto estes novos resultados representam uma melhoria de aproximadamente 10.000 vezes no uso de energia.

“O que é realmente impressionante aqui é a pouca energia que eles usaram.”

Essa eficiência – que se aproxima do chamado limite quântico – torna possível sincronizar o tempo usando hardware menor, um avanço crítico para um dia ligar relógios terrestres e aqueles localizados em órbita muito acima da Terra.

O avanço foi possível graças a um instrumento conhecido como pente de frequência programável no tempo, desenvolvido por Sinclair e seus colegas. O dispositivo modifica a taxa de pulso do laser, disse Sinclair. “Podemos ajustar dinamicamente o tempo e a fase de saída com precisão de nível de segundo segundo.” Isso, por sua vez, permitiu aos pesquisadores usar toda a luz recebida para sincronizar os sinais pulsados, em vez de jogar fora a maior parte dela, como foi feito anteriormente. Quando um experimento desperdiça luz, é necessário enviar mais fótons, o que requer energia. Sinclair e sua equipe relataram seus resultados na Nature.