Relógio óptico de rede de estrôncio aproxima uma nova definição oficial do segundo

Investigadores na China desenvolveram um dos relógios mais precisos já construídos - com um desempenho tão extremo que pode, em breve, levar a comunidade científica a redefinir oficialmente o segundo.

O equipamento, conhecido como relógio óptico de rede de estrôncio (strontium optical lattice clock), consegue “contar” o tempo com 19 casas decimais. Em termos práticos, se funcionasse por cerca de 30 bilhões de anos - mais do que o dobro da idade atual do Universo - ele acumularia um erro de apenas 1 segundo, aproximadamente.

Por que essa precisão muda o jogo para o SI e para a metrologia do tempo

Esse patamar de exatidão, que até pouco tempo era inalcançável, representa um avanço decisivo rumo ao objetivo de atualizar a definição do segundo no Sistema Internacional de Unidades (SI) ao longo da próxima década, aproximadamente.

Hoje, para que uma redefinição seja aceita, existem requisitos técnicos e de consenso internacional. Entre eles, destaca-se a necessidade de que pelo menos três relógios ópticos, baseados no mesmo tipo de “batida” (o mecanismo físico que define o ciclo de contagem), estejam em operação em instituições diferentes, exibindo um nível mínimo de precisão e estabilidade.

Em resumo, antes de mudar a definição oficial, é preciso demonstrar que a nova referência: - é reproduzível em locais distintos; - mantém desempenho consistente (baixa incerteza e alta estabilidade); - pode ser comparada e transferida com confiança entre laboratórios.

O novo relógio óptico descrito pelos cientistas atende às exigências de precisão e estabilidade e, além de aprimorar a forma como medimos o tempo, pode apoiar pesquisas em matéria escura e medições finas de diferenças no campo gravitacional da Terra.

Do “dia solar” aos átomos: como o segundo foi definido ao longo do tempo

No início, o segundo era definido como uma fração do dia: exatamente 1/86.400 de um dia. Esse valor surge ao dividir 24 horas em 60 minutos e, depois, cada minuto em 60 segundos.

Como orientação geral, isso funciona. Porém, não atende a necessidades científicas e industriais modernas. O problema é que “um dia” não é uma referência perfeitamente constante: a velocidade de rotação da Terra varia por diversos fatores. Se o segundo continuasse atrelado ao dia, a própria duração do segundo sofreria pequenas oscilações.

A introdução dos relógios atómicos permitiu medir o segundo de forma independente, usando características estáveis da natureza. Por isso, desde 1967, o SI define o segundo como exatamente 9.192.631.770 oscilações associadas ao átomo de césio-133.

Por que os relógios ópticos podem superar o césio-133

A definição baseada no césio já é extremamente precisa, mas ainda existe margem para melhoria. Átomos como o estrôncio podem oscilar em frequências da luz visível, produzindo cerca de 700 quatrilhões (700 × 10¹⁵) de “batidas” por segundo - em contraste com as cerca de 9 bilhões do césio (9 × 10⁹).

Ao acompanhar essas oscilações ópticas, os relógios ópticos atingem níveis de resolução que chegam à ordem de 10⁻¹⁸ segundos, o que abre caminho para um padrão de tempo ainda mais rigoroso.

Além da contagem em si, um aspecto central é como esses relógios são comparados entre si. Para que um novo padrão do segundo seja viável, é preciso também garantir formas robustas de intercomparação (por ligações ópticas, satélites e outras técnicas metrológicas), de modo que diferentes instituições cheguem ao mesmo resultado dentro das incertezas acordadas.

Atualizações na USTC: incerteza e estabilidade em novo patamar (relógio óptico de rede de estrôncio)

No novo estudo, a equipa da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) descreveu melhorias no seu relógio óptico de estrôncio que reduziram a incerteza para 9,2 × 10⁻¹⁹ e a estabilidade para 6,3 × 10⁻¹⁹.

Segundo os autores, esse desempenho satisfaz o requisito de 2 × 10⁻¹⁸ de exatidão para um único relógio associado ao processo de redefinição do segundo no SI, com aplicações potenciais em geodesia relativística e em buscas de alta resolução por matéria escura.

Quantos relógios faltam para redefinir o segundo?

A equipa observa que outros relógios também já alcançaram marcos comparáveis: dois relógios ópticos de estrôncio teriam ultrapassado esse patamar, além de dois relógios que medem o tempo usando iões de alumínio. À medida que mais relógios ultra precisos desse tipo entrarem em operação e forem comparados entre laboratórios, os critérios para uma redefinição oficial poderão ser cumpridos.

Um benefício adicional desse avanço é que relógios ópticos podem funcionar como sensores extremamente sensíveis: pequenas diferenças no potencial gravitacional (portanto, na altitude) alteram a taxa de passagem do tempo, o que sustenta aplicações em geodesia relativística para mapear variações do campo gravitacional com grande finura.

Quando uma mudança assim pode ser decidida: o papel da CGPM

Decisões sobre definições oficiais no SI são tomadas na Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), realizada a cada quatro anos. A próxima edição está marcada para outubro deste ano, mas, conforme relatado, ainda não houve progresso suficiente para que a redefinição do segundo seja deliberada nessa reunião.

Em vez disso, foi solicitado ao comité que “trabalhe rumo a uma proposta para a nova definição do segundo a ser apresentada na 29ª reunião da CGPM (2030) e uma proposta para a data da sua implementação”.

A pesquisa sobre o relógio óptico da USTC foi publicada na revista Metrologia.