Cientistas de Singapura criam relógio que pode redefinir como medimos o segundo

Cientistas de Singapura desenvolveram um relógio atômico de lutécio com precisão suficiente para detectar diferenças na passagem do tempo causadas por uma variação de apenas 5 milímetros de altura. Os resultados foram publicado na revista científica Nature na última quarta-feira, 23.

O equipamento alcançou uma incerteza de 1 × 10⁻¹⁹ na medição de sua frequência, a menor já registrada para um relógio atômico óptico, segundo os pesquisadores da Universidade Nacional de Singapura.

Além de estabelecer novos níveis de precisão na medição do tempo, a tecnologia pode ajudar cientistas a detectar pequenas alterações no campo gravitacional da Terra e realizar testes de física fundamental.

Como funciona um relógio atômico?

Relógios convencionais dependem de mecanismos que produzem oscilações regulares. Nos relógios atômicos, essa referência vem das transições de energia dos átomos. Desde a década de 1960, o césio-133 serve como base para a definição internacional do segundo.

Um segundo corresponde exatamente a 9.192.631.770 ciclos da radiação associada a uma transição específica do átomo de césio-133. Com o avanço da tecnologia, cientistas passaram a desenvolver relógios ópticos baseados em outros elementos, como itérbio, estrôncio e alumínio.

Esses equipamentos alcançaram níveis de precisão superiores aos relógios de césio e passaram a ser considerados nas discussões sobre uma futura redefinição do segundo. Agora, o lutécio entra nessa disputa com um novo recorde.

• Viver para sempre? Físico diz por que bilionários estão 'perdendo tempo'

Por que os cientistas escolheram o lutécio?

A equipe estuda as propriedades do lutécio há mais de uma década. Uma das principais vantagens está na baixa sensibilidade da transição atômica utilizada às condições externas. Mudanças de temperatura e do campo magnético podem alterar a frequência de referência de alguns átomos e comprometer a precisão dos relógios.

A transição utilizada no lutécio sofre menos influência dessas variações. Para explorar essa característica, os pesquisadores desenvolveram uma técnica conhecida como média hiperfina, utilizada para estabelecer com maior precisão a transição que serve como referência para o relógio.

Segundo a equipe, essa estabilidade permitiria manter o desempenho mesmo diante de grandes diferenças ambientais.

Dois relógios foram colocados frente a frente

Para testar a precisão alcançada, os pesquisadores construíram dois relógios atômicos semelhantes e compararam suas medições durante aproximadamente 200 horas.

Cada equipamento utilizou um único íon carregado de lutécio-176 (¹⁷⁶Lu⁺). A transição de referência foi medida com um laser de comprimento de onda de 848 nanômetros.

A comparação foi realizada por meio de uma técnica chamada espectroscopia de correlação. Os dois relógios apresentaram uma incerteza de 5,7 × 10⁻¹⁹, considerada pela equipe a comparação mais precisa já realizada entre equipamentos desse tipo. Medições realizadas por períodos maiores poderão reduzir ainda mais essa incerteza.

• Os anos estão passando mais rápido? O que a ciência diz sobre passado e futuro

Precisão permite detectar diferença de 5 milímetros

O nível alcançado é tão elevado que os equipamentos conseguiram perceber uma diferença na passagem do tempo provocada pela gravidade entre posições separadas por apenas 5 milímetros de altura.

O fenômeno é explicado pela Teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein. A passagem do tempo varia ligeiramente de acordo com o campo gravitacional.

Durante o experimento, os dois íons estavam posicionados sobre a mesma mesa, mas separados verticalmente por cerca de 5 milímetros. Essa pequena diferença já era suficiente para influenciar as medições dos relógios.

Para verificar o resultado, os pesquisadores determinaram independentemente a posição dos íons com precisão de aproximadamente um milímetro.

A capacidade também cria um desafio. Relógios com incertezas da ordem de 10⁻¹⁹ são tão sensíveis que pequenas diferenças no campo gravitacional da Terra precisam ser consideradas ao comparar equipamentos localizados em posições diferentes.

Para que serve um relógio tão preciso?

Relógios atômicos já são fundamentais para tecnologias que dependem de sincronização precisa, como sistemas de posicionamento e redes de comunicação. Equipamentos ainda mais precisos podem ampliar as possibilidades de investigação científica.

O relógio de lutécio poderá ser usado para medir pequenas alterações no campo gravitacional, testar teorias fundamentais da física e aprimorar sistemas que dependem de medições extremamente precisas.

Por enquanto, porém, o equipamento ocupa uma estrutura de laboratório e não pode ser transportado facilmente. A próxima etapa será reduzir seu tamanho sem comprometer a precisão alcançada após mais de uma década de desenvolvimento.

Com uma versão transportável, os pesquisadores poderão comparar medições realizadas em diferentes locais e explorar aplicações fora do laboratório.