Relógio atômico de pulso começa a virar realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/06/2023

Protótipo do relógio atômico de pulso.
[Imagem: Gabriela D. Martinez et al. - 10.1038/s41467-023-39166-1]

Relógio atômico pessoal

Além de terem elevado nossa capacidade de medir o tempo a um novo patamar, os relógios atômicos hoje se parecem com a garrafa de refrigerante do clássico do cinema "Os Deuses Devem Estar Loucos": Todo cientista parece precisar de um para alguma coisa.

Com isto, começou um esforço para miniaturizar esses medidores de tempo ultraprecisos, de modo não apenas a torná-los mais acessíveis a mais equipes de pesquisa, mas também de permitir que eles sejam levados a qualquer lugar, já que eles são úteis para medir a força da gravidade ou as imperfeições da superfície terrestre, por exemplo.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) dos EUA estão desenvolvendo relógios atômicos em escala de chip há vários anos, e agora eles parecem ter se aproximado muito de viabilizar um autêntico relógio atômico de pulso.

Relógios comerciais menores, do tamanho de uma maleta, já são comuns, mas ainda requerem uma quantidade significativa de energia (cerca de 50 watts) para funcionar. Para comparação, os celulares requerem cerca de um terço de watt para seu funcionamento normal.

Os relógios atômicos em escala de chip, que a equipe já vinha construindo, tiraram proveito dos avanços na tecnologia da microeletrônica, o que permitiu construir as câmaras, onde os átomos são mantidos e medidos, do tamanho de um grão de arroz - o relógio inteiro tem o tamanho de um sushi. Mas essa miniaturização cobrou seu preço em termos de precisão, e foi nisso que a equipe avançou agora.

"Os relógios atômicos em escala de chip têm baixo consumo de energia e alto desempenho, considerando-se seu tamanho. É um dispositivo maravilhoso, mas ele flutua depois de funcionar por alguns milhares de segundos," conta William McGehee, do NIST. "Os relógios de feixe existem desde a década de 1950 e são estáveis, mas ainda precisam de muita energia. E se pudéssemos combinar os melhores aspectos desses dois sistemas?"

Um relógio nuclear poderá ser 10 vezes mais preciso que um relógio atômico equivalente.
[Imagem: Christoph Düllmann]

Caminho para melhorar

Existem muitos tipos de relógios atômicos, mas, em sua busca de precisão, a equipe optou pelo modelo mais antigo e mais estável, construído usando feixes atômicos. Esses relógios enviam um feixe de átomos através de uma câmara de vácuo. Em uma extremidade da câmara, os átomos são colocados em um estado quântico específico e começam a tiquetaquear. Na outra extremidade, sua taxa de tique-taques é medida ou lida. Usando a taxa de tique-taques precisa dos átomos, outros relógios podem ser comparados aos relógios de feixe atômico e ajustados para corresponder ao seu tempo.

Para a miniaturização, a abordagem escolhida foi construir o chip do relógio em camadas de silício e vidro, que são então empilhadas. Isso permitiu construir câmaras ainda menores, o que reduziu o relógio das dimensões de um sushi para o tamanho de um selo postal.

A câmara contém um pequeno pedaço de rubídio. Essa câmara aquece, liberando um fluxo de átomos de rubídio através de microcapilares, canais de apenas 100 micrômetros de largura.

Esses minúsculos canais se conectam a outra câmara com materiais que podem absorver - ou coletar - moléculas de gás individuais, chamadas de capturadores não evaporáveis, que puxam os átomos de rubídio e os coletam, mantendo limpo o vácuo nos microcapilares. Pequenas hastes de grafite também ajudam a coletar átomos perdidos durante o processo.

No momento, o relógio atômico de pulso é apenas um protótipo. Os testes iniciais mostraram desempenho em um nível um pouco pior do que os relógios portáteis de chip existentes, mas a equipe afirma que a abordagem adotada agora deixa o caminho aberto para melhorar a estabilidade.

De fato, eles esperam aumentar a precisão do protótipo em um fator de 10 e exceder a estabilidade dos relógios atômicos de chip existentes em 100 vezes, e mantê-los estáveis em escalas de tempo semanais, e não mais de segundos.

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