Relógios de luz em rede estabelecem bases para redefinir o segundo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/06/2025

Sinais precisos de tempo e frequência são essenciais para tecnologias como GPS, gerenciamento de redes elétricas e manutenção de transações financeiras.
[Imagem: Lovisa Hakansson/Chalmers University of Technology]

Redefinição do segundo

Parece estar claro que o futuro da medição do tempo pertence aos relógios atômicos ópticos, e o maior interesse está na redefinição da nossa unidade de tempo, o segundo, constante do Sistema Internacional de Unidades.

Os relógios ópticos representam uma nova geração dos tradicionais relógios atômicos, com a diferença principal sendo que neles os tiquetaques são definidos pela frequência da oscilação da luz de um laser, e não de um átomo.

Hoje, os relógios ópticos já são cerca de 100 vezes mais precisos do que os melhores relógios de césio, medindo o tempo com tanta precisão que atrasariam ou adiantariam menos de um segundo ao longo de bilhões de anos.

Para redefinirmos o segundo, contudo, é necessário comparar os dados entre vários relógios ópticos diferentes, para verificar se eles estão funcionando conforme o esperado e se uns concordam com os outros. Para isso, pesquisadores realizaram agora uma comparação altamente coordenada de relógios ópticos em seis países, como parte de um grande projeto colaborativo financiado pela União Europeia.

"Comparar vários relógios simultaneamente e usar mais de um tipo de tecnologia de enlace fornece muito mais informações do que as comparações de relógios, em sua maioria pareadas, realizadas até o momento," disse Thomas Lindvall, do Instituto VTT, na Finlândia. "Com um conjunto coordenado de medições, é possível verificar a consistência e, ao mesmo tempo, fornecer resultados mais confiáveis. Esses resultados podem ajudar a determinar qual(is) relógio(s) óptico(s) deve(m) ser usado(s) na nova definição do segundo."

Visão geral da campanha de comparação dos relógios: 10 relógios ópticos em seis países diferentes foram comparados ao longo de 45 dias.
[Imagem: Thomas Lindvall et al. - 10.1364/OPTICA.561754]

Comparações entre relógios

Esta foi a mais ampla comparação coordenada de relógios ópticos feita até hoje, operando relógios e os links que os conectam simultaneamente em seis países, abrangendo milhares de quilômetros.

Foram 38 comparações - ou relações de frequência - realizadas simultaneamente com dez relógios ópticos diferentes. Quatro dessas comparações foram realizadas diretamente pela primeira vez, e muitas das outras foram medidas com uma precisão muito maior do que antes.

Para realizar as medições, os pesquisadores precisaram conectar as saídas de frequência dos diferentes relógios, o que foi feito usando dois métodos: Sinais de rádio de satélites e luz laser viajando por fibras ópticas. O método de satélite utilizou sinais de GPS do sistema de navegação, que estava disponível para todos os relógios incluídos no estudo. No entanto, essa técnica tem uma precisão limitada devido às incertezas da medição causadas por fatores como ruído do sinal ou limites dos instrumentos.

As conexões por fibra óptica permitiram medições com precisão 100 vezes maior do que a técnica de satélite. No entanto, essas conexões estáveis e de alta precisão só puderam ser usadas para conectar relógios na França, Alemanha e Itália durante a comparação internacional. Enquanto isso, comparações locais na Alemanha e no Reino Unido - onde vários relógios estavam localizados no mesmo instituto - foram realizadas com fibras ópticas curtas, o que reduziu muito a incerteza.

E é bom que os relógios ópticos acertem o passo, porque seus antecessores, os relógios atômicos, estão melhorando muito.
[Imagem: J. Pan]

É preciso melhorar

O experimento identificou algumas áreas onde ainda é necessário melhorar.

Por exemplo, para confirmar que todos os relógios estão funcionando conforme o esperado, as incertezas de medição devem ser reduzidas para corresponder à precisão dos próprios relógios. Medições repetidas serão então necessárias para confirmar a operação confiável necessária para gerar confiança tanto nos relógios quanto nos links. Além disso, vários outros critérios também devem ser atendidos antes de redefinir o segundo, incluindo a comprovação de que relógios ópticos podem contribuir de forma regular e consistente para escalas de tempo internacionais.

"Nem todos os resultados confirmaram o que esperávamos, e observamos algumas inconsistências nas medições," reconheceu Rachel Godun, do Laboratório Nacional de Física (NPL) do Reino Unido. "No entanto, comparar tantos relógios ao mesmo tempo e usar mais de uma técnica para conectá-los facilitou a identificação da origem do problema."

"Em suma: A precisão dos novos relógios ópticos está sendo analisada com extrema profundidade e detalhes, mas é isso que é necessário para tornar a redefinição do segundo cem vezes melhor do que é hoje. Os cientistas que trabalham nessa área precisam eliminar as menores imprecisões em seus relógios para que todos possamos desfrutar das imensas vantagens que isso trará. E quando se trata de dezoito casas decimais, não há desculpas para escapar," resumiu o professor José López-Urrutia, do Instituto Max Planck de Física Nuclear.

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