No topo de duas montanhas havaianas, NIST prova ultra

Sep 14, 2023

A cronometragem precisa desempenha um papel vital na sincronização de vários sistemas em todo o mundo, desde redes de telecomunicações e redes de energia até detecção de precisão e pesquisa científica. Tradicionalmente, este processo é conseguido através da comunicação com satélites que utilizam relógios atômicos. Esses relógios podem dizer as horas lendo as frequências de ressonância dos átomos de certos elementos, como o césio e o rubídio.

A próxima geração dessa tecnologia, conhecida como relógio óptico, aproveita elementos que possuem frequências de ressonância mais altas, como estrôncio e itérbio, e requer sistemas de laser para medição. Mais importante ainda, os relógios ópticos oferecem um nível muito mais alto de precisão de cronometragem.

Este artigo analisa um novo processo desenvolvido recentemente pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) para sincronizar relógios ópticos sem sacrificar a fidelidade.

No ano passado, no topo das montanhas do Havaí, uma equipe de pesquisadores do NIST realizou um experimento para transferência óptica de tempo na esperança de desenvolver um método confiável que pudesse ajudar redes de espaço livre em grande escala a interconectar relógios ópticos terrestres existentes e futuros relógios espaciais. baseados em relógios ópticos.

Os pesquisadores colocaram um módulo de laser no vulcão Mauna Loa, apontado para um refletor situado no pico Haleakala, em Maui. A uma distância de cerca de 150 quilómetros, os cientistas transmitiram um sinal temporal extremamente preciso através do ar, a níveis de potência que poderiam ser compatíveis com futuras missões espaciais.

Os investigadores sugerem que este sistema poderia permitir a transferência de tempo de estações terrestres para satélites colocados 36 mil quilómetros acima da Terra (em órbita geossíncrona), sincronizando efetivamente relógios ópticos com uma precisão de femtossegundos (um quatrilionésimo de segundo). Segundo o NIST, isso resultaria em uma precisão cerca de 10 mil vezes maior em comparação com as abordagens do estado da arte. Além disso, seu sistema pode operar usando apenas a intensidade mínima do sinal de temporização, sem perder nenhuma fidelidade, tornando-o altamente robusto na mitigação de distúrbios atmosféricos.

A sincronização de instrumentos a grandes distâncias com este tipo de precisão abre um tesouro de novas possibilidades, particularmente no domínio da física, proporcionando aos cientistas um caminho para uma compreensão mais profunda da estrutura do universo. Por exemplo, este método pode ajudar a testar a relatividade geral e até fornecer informações sobre a composição da matéria escura. Fora dos relógios ópticos, a conexão de conjuntos de sensores localizados a grandes distâncias pode promover a interferometria de linha de base muito longa (VLBI), que poderia ser usada para melhorar a imagem de buracos negros.

O método do NIST para ligar satélites a relógios ópticos localizados em lados opostos do mundo poderia redefinir o segundo SI para um padrão óptico, dividindo-o em pedaços ainda menores. Isso é possível graças a um avanço conhecido como pente de frequência.

Um pente de frequência é uma descoberta ganhadora do Prêmio Nobel, muitas vezes descrita como uma régua para a luz que pode produzir comprimentos de onda separados muito finamente, medidos com um alto grau de precisão. Usando esta tecnologia, os cientistas podem energizar com precisão os átomos dos relógios ópticos e traduzir as frequências oscilantes de terahertz em frequências mais baixas.

Para o experimento, a equipe do NIST desenvolveu uma versão melhorada do pente de frequência, apelidado de pente de frequência programável por tempo. De acordo com Laura Sinclair, física do campus de Boulder do NIST e uma das autoras do artigo, este método quebra a regra dos pentes de frequência, que exige o uso de um espaçamento de pulso fixo para operação de precisão - permitindo que os cientistas produzam resultados extremamente precisos. resultados mesmo quando um sistema tem apenas um pouco de luz para trabalhar.

Por causa do pente de frequência programável no tempo, os pesquisadores poderiam enviar o sinal de Mauna Loa para Haleakala em uma viagem de ida e volta de 300 quilômetros usando apenas 40 microwatts de potência e apenas a intensidade mínima do sinal necessária para sincronizar dispositivos (conhecido como limite quântico). . Nesta experiência, o sinal penetrou em mais perturbações atmosféricas do que alguma vez encontraria numa viagem potencial do solo para a órbita geossíncrona.