Um novo tipo de relógio atômico é mais preciso do que qualquer outro já construído, com a capacidade de funcionar sem problemas por mil vezes a vida útil do universo. Além de ser o melhor cronometrista até hoje, o novo chamado relógio de gás quântico pode um dia oferecer insights sobre a nova física.
Pesquisadores da JILA (anteriormente conhecido como Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratório) usaram uma combinação de átomos de estrôncio e uma série de raios laser para criar um relógio tão preciso que poderia medir a interação da gravidade em escalas menores do que nunca . Ao fazer isso, pode lançar luz sobre a natureza de sua relação com outras forças fundamentais, um mistério que desconcerta os físicos há décadas.
Os relógios atômicos medem o tempo usando as vibrações dos átomos como um metrônomo muito preciso. Os relógios atômicos atuais são desativados por segundos durante dezenas de bilhões de anos. Essa nova iteração permanece precisa o suficiente para ser desativada em apenas 1 segundo em cerca de 90 bilhões de anos.
Para obter esse tipo de precisão, a equipe esfriou os átomos de estrôncio para impedir que se movessem e se chocassem - algo que pode desencadear suas vibrações. Primeiro, eles atingem os átomos com lasers. Quando atingidos pelos fótons nos lasers, os átomos absorviam sua energia e reemitiam um fóton, perdendo energia cinética e ficando mais frios. Mas isso não os esfriou o suficiente. Então, para torná-los ainda mais frios, a equipe contou com o resfriamento evaporativo, permitindo que alguns átomos de estrôncio evaporassem e aceitassem ainda mais energia. Eles ficaram com entre 10.000 e 100.000 átomos, a uma temperatura de apenas 10 a 60 bilionésimos de grau acima do zero absoluto, ou menos 459 graus Fahrenheit (menos 273 graus Celsius).
Os átomos frios foram capturados por um arranjo 3D de lasers. As vigas foram montadas para interferir umas nas outras. Ao fazer isso, eles criaram regiões de baixo e alto potencial de energia, chamadas de poços em potencial. Os poços agem como caixas de ovos empilhadas e cada um contém um átomo de estrôncio.
Os átomos ficaram tão frios que pararam de interagir entre si - ao contrário de um gás normal, no qual átomos correm aleatoriamente e ricocheteiam em seus companheiros, esses átomos resfriados permanecem bastante imóveis. Eles então começam a se comportar de uma maneira que é menos como um gás e mais como um sólido, mesmo que a distância entre eles seja muito maior do que a encontrada no estrôncio sólido.
"Desse ponto de vista, é um material muito interessante; agora possui propriedades como se fosse um estado sólido", disse ao Live Science o líder do projeto Jun Ye, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. (A JILA é operada em conjunto pelo NIST e pela Universidade do Colorado em Boulder.)
Nesse ponto, o relógio estava pronto para começar a marcar o tempo: os pesquisadores atingiram os átomos com um laser, excitando um dos elétrons que orbitam o núcleo do estrôncio. Como os elétrons são governados pelas leis da mecânica quântica, não se pode dizer em que nível de energia o elétron se encontra quando está excitado, e só se pode dizer que tem uma probabilidade de estar em um ou outro. Para medir o elétron, após 10 segundos, eles dispararam outro laser no átomo. Esse laser mede onde o elétron está localizado ao redor do núcleo, quando um fóton é reemitido pelo átomo - e quantas vezes ele oscilou nesse período (os 10 segundos).
A média dessa medição em milhares de átomos é o que confere precisão a esse relógio atômico, assim como calcular a média das batidas de milhares de pêndulos idênticos dará uma idéia mais precisa de qual deve ser o período desse pêndulo.
Até agora, os relógios atômicos possuíam apenas "cadeias" de átomos em oposição a uma treliça 3D, de modo que não podiam realizar tantas medições quanto essa, disse Ye.
"É como comparar relógios", disse Ye. "Usando essa analogia, o pulso do laser nos átomos desencadeia uma oscilação coerente. Dez segundos depois, ligamos o pulso novamente e perguntamos ao elétron: 'Onde você está?'" Essa medição é calculada sobre milhares de átomos.
Manter os elétrons nesse estado intermediário é difícil, disse Ye, e esse é outro motivo pelo qual os átomos precisam ser tão frios, para que os elétrons não toquem acidentalmente em mais nada.
O relógio pode medir essencialmente segundos até 1 parte em trilhões. Essa habilidade faz mais do que um bom cronometrista; pode ajudar na busca de fenômenos como a matéria escura, disse Ye. Por exemplo, alguém poderia montar um experimento no espaço usando um cronômetro tão preciso para ver se os átomos se comportam de maneira diferente do que as teorias convencionais prevêem.
O estudo está detalhado na edição de 6 de outubro da revista Science.
