Em busca do tempo preciso

Masao Takamoto, pesquisador do Laboratório de Metrologia Quântica, Japão

Um quintilionésimo de segundo. Com esse grau de precisão, um relógio atrasaria ou adiantaria no máximo um segundo num período de 30 bilhões de anos, mais de duas vezes a idade do Universo. Um candidato a esse grau de exatidão é um novo tipo de relógio atômico em desenvolvimento desde 2003. Seu nome é relógio de grade ótica.

O estado da arte na construção desse tipo de relógio foi apresentado por Masao Takamoto, pesquisador do Laboratório de Metrologia Quântica do Instituto de Pesquisa em Física e Química (Riken, na sigla transliterada do japonês), no Workshop de Física da Fase Nagoya da Intercontinental Academia , no dia 9 de março.

Na conferência Metrologia de Precisão com Relógios de Grade Ótica, Takamoto destacou que os relógios atômicos são referência para medições precisas com 15 dígitos (1 quadrilionésimo de segundo) e ressaltou sua importância para setores de infraestrutura, já que permitem maior acurácia em serviços como os Sistemas de Posicionamento Global (GPS)  e a sincronização de redes de alta velocidade. Acrescentou que eles também são muito importantes nas medições em experimentos físicos, como na espectroscopia de precisão na física quântica.

O padrão internacional de duração do segundo é definido desde 1967 por relógios atômicos de césio. O Tempo Atômico Internacional (TAI) é estabelecido pela média entre relógios desse tipo interligados. Segundo Takamoto, os melhores resultados em termos de precisão até agora foram obtidos pelos relógios de césio do Syrte (Sistema de Referência Tempo-Espaço), da França, e do Nist (National Institute of Standards and Technology), dos EUA, que atingiram 3 décimos de quadrilionésimo de segundo (3 x 10^-16 s).

A busca de precisão ainda maior e maior estabilidade motivou os pesquisadores a projetar relógios atômicos óticos. Há dois tipos deles candidatos a ocupar o papel de referência na medição do segundo, conforme Takamoto:

• relógio de íon-único preso num campo elétrico (proposto por Hans Dehmelt em 1982), com capacidade de atingir precisão de 10^-18 s;
• relógio de grade ótica (proposto por Hidetoshi Katori em 2001), no qual o potencial da grade ótica confina cerca de 1 milhão de átomos em "armadilhas" separadas; é capaz de atingir a precisão de 10^-18 s e sua estabilidade é proporcionada pela simulação de 1 milhão de relógios de íon-único em paralelo.

O Riken e o Laboratório Katori da Escola de Engenharia da Universidade de Tóquio desenvolvem relógios de grade ótica. Takamoto é pesquisador do primeiro e diretor assistente de pesquisa do segundo.

A primeira demonstração de relógio de grade ótica aconteceu em 2003. Em 2005, foi medida a frequência absoluta de um deles. Em 2006, a medição da frequência foi feita por três grupos: Syrte, Jila (nos Estados Unidos) e Instituto Nacional de Metrologia do Japão. A partir desses resultados, foi proposta uma nova definição para o segundo, afirmou Takamoto.

Em 2008 e 2009 foram feitos experimentos de medição da frequência absoluta do relógio de grade ótica de estrôncio usando fibra ótica entre Tóquio e Tsukuba (distância real de 50 km; 120 km por fibra ótica). "Esse e outros experimentos internacionais mostraram uma concordância excelente entre os relógios, com grau de precisão próximo de 6 x 10^-16 s", afirmou Takamoto.

Em setembro de 2006, o Comitê Consultivo Internacional para Tempo e Frequência (CCTF, na sigla em inglês) adotou quatro tipos de relógios óticos como “representações secundárias do segundo”, de acordo com o pesquisador: o de grade ótica de estrôncio e os de íon-único de estrôncio, mercúrio e itérbio.

A Área de Tempo e Frequência do Escritório Internacional de Pesos e Medidas (BIPM, na sigla em francês), responsável pelo TAI, discutirá critérios para a redefinição do segundo nos próximos 5 a 10 anos, informou Takamoto. Os relógios atômicos candidatos a servir de referência deverão:

• estar completamente descritos e com a pesquisa sobre eles "saturada";
• ser desenvolvidos por vários grupos e laboratórios;
• poder ser comercializados, de preferência.

O elemento químico e o esquema do relógio serão escolhidos a partir da performance dos vários tipos existentes.

No entanto, depois que o segundo for redefinido por meio de um relógio com grau de precisão de 10^-18 s, será preciso encontrar um meio para compartilhar o tempo com 18 dígitos sob a influência do potencial gravitacional na Terra: "De acordo com a Teoria da Relatividade Geral, o tempo anda mais rápido em lugares mais altos. A diferença de altura de um 1 cm faz diferença entre dois relógios de 10^-18 s. Isso é um problema do ponto de vista do estabelecimento de um padrão."

Entre as aplicações que esse tipo de relógio permitirá com extrema precisão, Takamoto citou:

• produção de prova precisa para o potencial gravitacional por meio da Teoria da Relatividade Geral;
• demonstração da geodésia relativística pela comparação entre relógios conectados por fibra ótica muito longa;
• mapeamento de geopotencial para a busca de recursos minerais;
• monitoramento da variação no tempo do potencial gravitacional devido aos efeitos das marés
• detecção de movimentos da crosta terrestre e da atividade vulcânica

Para o uso na medição do potencial gravitacional, as pesquisas buscam o desenvolvimento de relógios transportáveis com operação estável de longo prazo e de relógios com fibra de cristal fotônico de núcleo oco.

Atualmente, nove países possuem relógios de grade ótica: o Japão possui os de estrôncio, itérbio, mercúrio e cádmio; os Estados Unidos e a Itália possuem os de estrôncio e itérbio; a França conta com os de estrôncio e mercúrio; a Alemanha possui os de estrôncio e magnésio; Reino Unido e China têm apenas o de estrôncio; e Coreia e Austrália apenas o de itérbio.