A corrida para construir o menor relógio atômico do mundo, novamente

Sep 22, 2023

24 de agosto de 2023

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por Troy Rummler, Laboratórios Nacionais Sandia

Yuan-Yu Jau está em busca de construir o menor relógio atômico do mundo, um dispositivo que mede o tempo com extrema precisão. Se tiver sucesso, ele e sua equipe na Sandia terão feito um menor que um cubo de açúcar.

Mas ele não é o único a ultrapassar os limites dos minúsculos relógios.

No ano passado, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa desafiou equipes de pesquisa a construir relógios menores e mais precisos. Yuan-Yu está liderando a equipe Sandia envolvida neste esforço.

"Eles querem 1 centímetro cúbico para tudo, e atualmente não existe nenhum relógio atômico com esse tamanho", disse Yuan-Yu, cujo design central é ainda menor - cerca de 1 centímetro de comprimento e apenas 2 milímetros de largura e altura, para um grande total de 0,04 centímetros cúbicos. A DARPA solicitou que os dispositivos tivessem precisão de um milionésimo de segundo após uma semana.

Sandia tem experiência na construção de relógios compactos. No início dos anos 2000, os laboratórios ajudaram a desenvolver o Relógio Atômico Chip Scale, que é pouco maior que uma caixa de fósforos, ou cerca de 17 centímetros cúbicos. Na época, o CSAC era o menor relógio atômico do mundo e ainda é o menor que você pode comprar.

O relógio atômico foi inventado em 1948 no que era então o National Bureau of Standards dos EUA, hoje Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Em vez de medir o tempo através de eventos astronómicos como a rotação da Terra, ou por meios mecânicos como engrenagens, molas ou pêndulos, mediu o tempo através de sinais eletromagnéticos emitidos por eletrões em torno de um átomo, tornando-o incrivelmente preciso.

Os relógios atômicos abriram caminho para o GPS, que depende de relógios sincronizados e superprecisos.

Ironicamente, a DARPA está agora investigando relógios pequenos e precisos para ajudar os veículos a navegar quando o GPS não está disponível. Isso funciona da mesma forma que você calcula a distância percorrida por um carro em um longo trecho de rodovia. Se você dirige a constantes 60 milhas por hora, você sabe que depois de uma hora você viajou 60 milhas. Um relógio confiável é metade da equação.

Para aplicações de defesa, a navegação deve ser extremamente precisa. A DARPA está buscando relógios com precisão de milionésimos de segundo por até uma semana. Embora os melhores relógios do mundo sejam máquinas grandes que podem manter essa precisão por dezenas de milhares de anos, as versões de bolso são menos precisas. Os objetivos da Sandia e da DARPA são ser 30 vezes mais precisos do que os atuais relógios de pequena escala e de última geração.

A agência também exige melhorias no consumo de energia e na sensibilidade à temperatura e vibração.

“Isso é muito mais desafiador do que o que as pessoas fizeram até agora”, disse Yuan-Yu.

A redução do tamanho, peso e potência facilita a utilização de sistemas de navegação avançados em diferentes tipos de veículos – desde embarcações navais até drones e satélites.

Yuan-Yu está confiante de que ele e sua equipe conseguirão construir o dispositivo. De certa forma, ele já o fez.

Há dezesseis anos, então professor de física na Universidade de Princeton, ele construiu seu primeiro protótipo do que chamou de oscilador atômico a laser. Era mais ou menos do tamanho de uma caixa de ferramentas, mas executava a mesma ação básica de um relógio atômico. Ele produziu um pulso constante, semelhante a um relógio, derivado do brilho de um laser através de uma nuvem de átomos de potássio.

É importante ressaltar que era independente. O oscilador não exigia equipamento eletrônico externo para controlar o pulso periódico da máquina.

O hardware de suporte é comum em muitos tipos de relógios atômicos e geralmente ocupa a maior parte do espaço. Se você removesse os componentes eletrônicos de suporte de um CSAC do tamanho de uma caixa de fósforos, descobriria que o tique-taque físico ocorre em um pacote apenas do tamanho de um grão de arroz.