Erro de 39,6 bilhões de anos de menos de um segundo: o relógio atômico mais preciso do mundo estabelece um novo recorde
2024-08-19
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Quanto tempo dura 1 segundo? Como deve ser definida a precisão científica de um segundo? Em 22 de setembro de 2023, o Mozi Salon teve a honra de convidar Jun Ye, professor do Departamento de Física da Universidade do Colorado e vencedor do "Prêmio Mozi Quantum", para proferir um discurso intituladoO discurso apresentou os antecedentes da pesquisa dos relógios atômicos de uma forma fácil de entender e a exploração da equipe de pesquisa para melhorar continuamente a precisão da medição do tempo.Agora, o limite superior de precisão dos relógios atômicos pode ser melhorado? A mais recente conquista da equipe de Ye Jun mais uma vez quebrou o recorde de precisão do relógio atômico, alcançou um salto na precisão da medição do tempo e estabeleceu um novo padrão para a próxima geração de relógios atômicos. Em 24 de janeiro, desenvolvemos com sucesso o sistema de relógio óptico com os melhores indicadores nacionais (A equipe de relógio óptico de ) da Universidade de Ciência e Tecnologia da China foi convidada pela Física para apresentar este resultado.
O surgimento dos relógios atômicos na década de 1950 marcou um grande avanço em nossa capacidade de medir o tempo com altíssima precisão.Após 70 anos de desenvolvimento, é atualmente o dispositivo de cronometragem mais preciso. Se tivesse começado a cronometrar no início do Big Bang, o seu erro não teria excedido um segundo agora.Esses relógios atômicos precisos têm amplas aplicações em física básica, metrologia, navegação e outros campos. Outras melhorias poderão levar a uma série de novas aplicações e novos testes de física fundamental.No entanto, alcançar novas melhorias enfrenta muitos desafios, entre os quais o ruído ambiental, como flutuações do campo magnético e mudanças de temperatura, e as complexas interações dos átomos, que governam o funcionamento do relógio, mas são difíceis de controlar. Para enfrentar esses desafios, pesquisadores do American Joint Astrophysics Laboratory (JILÁ) e uma equipe de pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder quebraram o recorde de precisão do relógio atômico.▲ Figura 1:Os átomos de estrôncio estão em1S0e3P0As transições entre estados servem como referências para relógios de rede óptica. Quando um sinal óptico ressoa com uma transição, sua frequência pode ser definida com muita precisão.
A equipe de pesquisa usou um relógio de rede óptica (OLC) baseado em átomos neutros de estrôncio para medir a frequência das transições atômicas do estrôncio, e a incerteza do sistema atingiu 8,1×10-19, mais que o dobro do recorde anterior (trabalho preliminar da equipe). Esta conquista marca um salto na precisão da medição do tempo e estabelece um novo padrão para a próxima geração de relógios atômicos.Os primeiros relógios atômicos usavam a frequência dos sinais de micro-ondas como “pêndulo” para marcar o tempo. Hoje, as melhores técnicas de medição do tempo baseiam-se na luz emitida por certas transições atômicas, chamadas transições de relógio. A alta frequência (normalmente algumas centenas de terahertz) e as larguras de linha estreitas (normalmente 1-100 milihertz) dessas transições significam que os relógios atômicos ópticos podem medir o tempo com mais precisão do que os relógios atômicos baseados em micro-ondas, que funcionam em frequências mais baixas. Graças aos esforços incansáveis dos investigadores ao longo das últimas décadas, os relógios ópticos têm agora um desempenho duas ordens de grandeza melhor do que os relógios de microondas. Melhorar ainda mais o seu desempenho significa reduzir a dimensão dos erros sistemáticos.Para atingir esse objetivo, as equipes da JILA e da Universidade do Colorado em Boulder reavaliaram os coeficientes de certos parâmetros atômicos que são críticos para a operação de relógios atômicos ópticos. Em particular, os pesquisadores investigaram a transição do relógio com a menor sensibilidade magnética entre os átomos de estrôncio (3P0e1S0transições entre estados) foram calibrados com precisão (ver Figura 1), e os coeficientes de Zeeman de segunda ordem foram determinados.O coeficiente de Zeeman descreve o efeito de um campo magnético no nível de energia de um elétron e, portanto, a mudança na frequência da luz emitida durante a transição associada. Normalmente, as transições do relógio magneticamente insensíveis são escolhidas para minimizar a mudança de frequência Zeeman dominante de primeira ordem, o que reduz a sensibilidade do relógio às flutuações no campo magnético ambiente. Mas ainda existem efeitos de segunda ordem mais fracos. A calibração deste coeficiente pela equipe reduziu a incerteza causada pela mudança de frequência de Zeeman de segunda ordem para 1×10-19, o dobro da calibração anterior.▲ Figura 2:Em setembro de 2023, na Conferência Internacional sobre Tecnologias Quânticas Emergentes de 2023 em Hefei, Jun Ye, como vencedor do "Prêmio Mozi Quantum", apresentou um maravilhoso relatório de premiação no local.
Os pesquisadores também abordaram um segundo fator que afeta a incerteza do relógio: a correção dinâmica da radiação do corpo negro. A radiação do corpo negro pode afectar os níveis de energia dos átomos através dos seus campos eléctricos, uma consequência inevitável do funcionamento dos relógios num ambiente à temperatura ambiente. O componente dinâmico deste efeito refere-se à mudança de frequência diferencial entre os níveis de energia atômica. Nas gerações anteriores de relógios de rede óptica de estrôncio, a precisão era particularmente limitada por3P0Incerteza no deslocamento do nível de energia (o maior dos dois estados que definem a transição do relógio). A dimensão desta mudança de frequência está relacionada com uma transição dentro do espectro de energia da radiação do corpo negro - isto é3P0e níveis de energia mais elevados3E1A transição entre o3E1determinado pela vida útil do estado. Ao fazer essas medições, a equipe melhorou a incerteza no deslocamento da radiação do corpo negro em relação ao deslocamento anterior de 1,5 × 10-18Reduzido para 7,3×10-19. Combinando a redução na incerteza da mudança de frequência da radiação do corpo negro com outros controles ambientais, como a estabilização da temperatura, os pesquisadores determinaram que todos os efeitos do sistema contribuíram para a incerteza total dos níveis de energia de transição do relógio para menos de 1 × 10-18。Para controlar e medir os átomos no relógio da rede óptica, os pesquisadores também usaram uma rede óptica com um “comprimento de onda mágico”. Em uma armadilha de rede óptica, os níveis de energia dos átomos podem variar devido à influência do campo elétrico do feixe de laser. Entretanto, em um poço de potencial manipulado em comprimentos de onda mágicos, o poço de potencial é o mesmo, independentemente do estado eletrônico dos átomos. Isto significa que as mudanças relativas de frequência do nível de energia induzidas pelo feixe de laser entre os estados de transição do relógio são minimizadas, o que ajuda a tornar a largura de linha da transição tão estreita quanto possível. Os pesquisadores também incorporaram um procedimento de resfriamento que lhes permitiu usar uma rede rasa para confinar os átomos. Quando os átomos estão mais confinados, a mudança de frequência nos níveis de energia causada pelo feixe de laser é maior, de modo que o potencial raso minimiza essa mudança de frequência.Estes métodos permitem que o seu dispositivo exceda a precisão de todos os relógios de rede de luz anteriores, medindo o tempo com um erro de menos de um segundo em 39,6 mil milhões de anos. As implicações desta melhoria são de longo alcance. Por exemplo, combinado com o progresso da equipa do Colorado, uma nova geração de instrumentos poderia estabelecer uma nova referência para a definição de um segundo. Os esforços futuros poderão concentrar-se na melhoria destas técnicas para reduzir ainda mais as incertezas através, por exemplo, da operação criogénica. Esta tecnologia de medição de altíssima precisão pode ser usada para estudar questões fundamentais na vanguarda da física, como a possibilidade de revelar a natureza quântica da gravidade e a natureza da matéria escura através de observações de ondas gravitacionais.
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