Relógio de Rede Óptica Transportável Alcança Marco

Esse artigo fala sobre um novo tipo de relógio chamado relógio de rede óptica transportável (TOLC) que usa itérbio (Yb) pra medir o tempo com alta precisão. Recentemente, esse relógio foi movido com sucesso 3.000 quilômetros de Boulder, Colorado, até Washington D.C. O relógio é composto por várias partes: uma cavidade de referência óptica, um pacote de física atômica e um pente de frequência óptica. Juntos, esses elementos criam um padrão independente pra medir a frequência, permitindo comparações entre diferentes tipos de relógios.

Depois do transporte, o Yb TOLC ficou operacional em apenas dois dias. Isso permitiu comparar sua frequência com fontes de Rubídio (Rb) no Observatório Naval dos EUA (USNO). Essa é a primeira vez que um TOLC foi implantado com todos os componentes essenciais, incluindo o pente de frequência, que liga a estabilidade óptica do relógio de Yb à saída de micro-ondas da fonte de Rb.

Nos últimos dez anos, houve avanços significativos nos padrões de frequência óptica. Relógios ópticos baseados em laboratório mostraram erros de frequência bem pequenos. Relógios de rede óptica (OLCs) alcançaram estabilidades de frequência melhores do que os relógios de micro-ondas atuais. Como resultado, agora existe a possibilidade de redefinir o segundo com base em padrões ópticos em vez de micro-ondas.

No entanto, comparar relógios ópticos entre locais distantes ainda é um desafio complicado. Embora métodos como redes de fibra e transferência de tempo-frequência em duas vias tenham melhorado, ainda têm suas limitações. Pra verificar totalmente esses relógios ópticos, eles precisam ser transportáveis. Assim, diferentes institutos de metrologia remotos podem fazer comparações globais de frequência. O primeiro relógio de rede óptica transportável (Sr TOLC) foi testado fora do laboratório em 2017. Em 2020, dois Sr OLCs foram comparados, trazendo informações essenciais sobre a relatividade geral e capacidades operacionais fora do laboratório. Logo depois, um relógio de cálcio transportável também foi demonstrado. Essas conquistas mostram que a operação dos relógios pode agora ir além dos ambientes de laboratório, abrindo possibilidades para medições em metrologia e física fundamental.

A implantação do Yb TOLC aconteceu em março de 2023, quando o sistema do relógio foi enviado do NIST em Boulder para o USNO. Todos os componentes necessários para um padrão de frequência independente de Yb OLC foram incluídos: as partes de física atômica, um pente de frequência com saída de micro-ondas, e uma Cavidade Óptica para operações do relógio. Cada componente foi cuidadosamente embalado em caixas de madeira, e um serviço de transporte comercial foi usado. Esse design visa permitir futuras implantações internacionais para comparações de frequência com outros institutos de metrologia.

A parte central do Yb TOLC é o pacote de física atômica, que fica em três racks de servidor comerciais com cerca de 120 cm de altura. Uma publicação detalhada sobre esse sistema atômico está sendo preparada. Os três racks incluem uma versão menor dos Yb OLCs existentes do NIST, que contém uma câmara de vácuo personalizada projetada pra reduzir a interferência da radiação de corpo negro. Usando um método de aquecimento especial combinado com um laser, o sistema atômico prende efetivamente os átomos de Yb. Uma segunda armadilha de resfriamento reduz ainda mais a temperatura dos átomos, permitindo que eles sejam carregados em uma rede óptica especialmente projetada. Essa rede prende os átomos de Yb ultracoldos, garantindo que eles permaneçam estáveis e disponíveis para medição.

Pra fazer as medições de tempo necessárias, um protótipo de cavidade óptica foi desenvolvido. Essa cavidade serve como o oscilador que estabiliza as frequências ópticas do relógio. Inspirada em designs cúbicos, a cavidade é moldada pra minimizar os efeitos de forças externas. Feita de vidro de ultra-baixa expansão e equipada com espelhos especiais, é projetada pra reduzir o ruído térmico. A cavidade é mantida firmemente no lugar dentro de uma gaiola protetora, proporcionando estabilidade durante o movimento. Testes mostraram que ela pode manter altos níveis de precisão mesmo sob diferentes forças gravitacionais.

Usando o relógio óptico transportável, a estabilidade de frequência foi comparada com os Yb OLCs baseados em laboratório em Boulder. A estabilidade de frequência do relógio transportável era quase dez vezes melhor do que os relógios de fonte de Rb no USNO. Esse desempenho impressionante indica que o TOLC está pronto pra testes em cenários do mundo real.

O Yb TOLC também incorpora um sistema completo de referência a laser baseado em um pente de frequência. Esse sistema permite que o relógio meça diferentes frequências ópticas com precisão. Inclui várias partes que trabalham juntas pra garantir estabilidade e precisão. O pente é comparado com outro sistema de referência pra manter a exatidão, garantindo que quaisquer diferenças de frequência sejam notadas e compensadas.

Antes do envio, os sinais ópticos e de micro-ondas do relógio foram comparados usando equipamentos especiais, mostrando que ambos os sinais permaneceram sincronizados. Esse processo de medição permite ajustes precisos, garantindo que o relógio permaneça preciso.

O transporte do relógio não foi sem desafios. Enquanto estava a caminho do USNO, uma tempestade interrompeu o fornecimento de energia, levando a uma perda temporária de vácuo na cavidade óptica. Essa situação exigiu atenção na chegada pra restaurar as condições de vácuo. Além disso, algumas partes sofreram pequenos danos devido a vibrações durante o transporte. Apesar desses problemas, os componentes ópticos permaneceram alinhados, e os reparos foram feitos rapidamente. Em dois dias, o Yb TOLC estava totalmente operacional, com medições indicando apenas pequenas mudanças na frequência em relação à configuração original.

Após sua implantação bem-sucedida, o Yb TOLC foi usado pra comparar seu desempenho com as fontes de Rb, que estão em operação contínua há anos. Melhorias no oscilador de micro-ondas ajudaram a alcançar uma estabilidade ainda melhor. Comparações estendidas entre o Yb TOLC e as fontes de Rb mostraram melhorias notáveis nas medições de instabilidade, confirmando a eficácia do novo sistema.

Em resumo, o Yb TOLC representa um avanço significativo na tecnologia de medição de tempo. Ao mover com sucesso um padrão de frequência óptica totalmente independente através de uma longa distância, a implantação demonstrou que relógios ópticos transportáveis são viáveis e eficazes. O design do pacote de física atômica se mostrou bem-sucedido, e avaliações adicionais de precisão são esperadas em breve. Esse desenvolvimento marca um passo importante para futuras medições em metrologia e oferece oportunidades pra aprimorar a pesquisa científica em várias áreas.

No futuro, o trabalho apoiado por várias organizações pavejará o caminho para mais avanços na tecnologia de relógios ópticos, beneficiando a metrologia e a física fundamental. Além disso, a implantação de um relógio que pode resistir ao transporte abre portas para mais colaborações globais em medição precisa do tempo.