Relógio Atômico NPL-CsF2

O estado da arte em precisão na medida do tempo é o relógio atômico de CsF2 do National Physics Laboratory localizado na Inglaterra. Sua incerteza na medição do segundo é de apenas 2.3 x 10−16, ou seja, a cada 138 milhões de anos, ele atrasa ou se adianta em um segundo. Tal precisão o destaca mesmo entre outros relógios atômicos, tornando-o referência internacional na medição do segundo. As técnicas que levaram esse equipamento, assim como o funcionamento básico de um relógio atômico do tipo chafariz serão explicadas neste documento.


Funcionamento resumido

O processo todo ocorre em aproximadamente 1s[2]:

1º - Átomos de Cs 133 são resfriados e lançados para cima

2º - Uma microwave cavity dá energia para se mudar para um estado energético de superposição

3º - Continuam a trajetória balística até serem atraídos pela gravidade e caírem

4º - Ao caírem interagem novamente com a microwave cavity, ocorre então a transição para um estado de energia bem definido

5º - Os átomos são detectados por fluorescência induzida por laser


Créditos: Referência 2


Resfriamento a Laser

Para aprisionar os Átomos de Cs 133 e resfria-los a baixíssimas temperaturas (da ordem de 1 μK), é usado o efeito Doppler com laser, como ilustrado na figura abaixo:


Créditos: Referência 11

Sabendo-se uma frequência específica de absorção do átomo, utilizam-se lasers com frequência levemente abaixo desta para que quando o átomo se mover em direção á fonte ele enxergue a frequência de absorção. Deste modo o átomo irá absorver os fótons incidentes, perdendo momento naquela direção, e excitando seus elétrons para outros níveis de energia, que com a reemissão destes (que será em direção e sentido aleatórios)) o átomo tende a perder todo seu momento e a resfriar para um estado de energia próximo ao fundamental[11].


Microwave Cavity

Estrutura de metal que confina campos eletromagnéticos na região do espectro de micro-ondas, a cavidade é preenchida com gás hidrogênio, formando um Hydrogen maser[10] para alta precisão nas frequências. É análogo a um circuito LC, porém com perdas em frequência mínimas[6]. A frequência de emissão na cavidade é variada e quando há uma detecção, o sistema ajusta a frequência até saber exatamente qual está emitindo. Por esse motivo, os primeiros minutos (ou até horas) de funcionamento de um relógio atômico são descartados.

Ao passar pela primeira vez por essa cavidade o átomo será excitado para uma superposição de estados de energia g1 e g2, após perder sua energia para a força da gravidade, o átomo cai e passa novamente pela cavidade, onde o átomo sofrerá uma transição para g1 ou g2, dependendo da fase entre o campo e a coerência atômica. Essa energia de transição corresponde a um fóton com frequência de 9192631770 Hz, tendo então uma fonte dessa frequência bem definida, podemos definir o segundo como 9192631770 ciclos dessa radiação.


Interferômetro de Ramsey

Tratando o átomo como onda, é possível realizar um experimento de interferometria com a luz[8]. O comprimento de onda de de Broglie do átomo interfere com a onda eletromagnética, e o resultado da interferência dá informação sobre o estado de energia, pois a energia está relacionada com o momento 12]. Realizando uma estatística entre os átomos detectados, nos dá a altura nas franjas de Ramsey (Probabilidade de ocorrer a mudança de estado) que nos permite inferir sobre possíveis valores para o deslocamentos da frequência da onda eletromagnética em relação a frequência de ressonância.


Créditos: Referência 9

Se utilizam de dois feixes de laser pelos quais o átomo atravessa em queda livre, em seguida o átomo emite luz (como em uma espectroscopia Raman), a velocidade dos pulsos depende do tempo de queda do átomo [9]. No caso do relógio atômico, esta técnica serve para corrigir a frequência emitida na cavidade, através das franjas de Ramsey[12], que relacionam a probabilidade de transição de estado com frequência da onda incidente:


Créditos: Referência 8


Microwave lensing

Técnica que permitiu o NPL-CsF2 chegar a uma incerteza de apenas 2.3 x 10−16. Trata-se de uma correção para o efeito Doppler causado pela velocidade transversal do átomo e dos pequenos desvios laterais em sua trajetória quando este passa pela microwave cavity. Foi desenvolvida através de uma melhor modelagem matemática dos efeitos da microwave cavity (Ramsey cavity) sobre o átomo[1] . Para mais detalhes leia este artigo .


Vídeo Ilustrativo

http://www.youtube.com/watch?v=i1PIuSk641M


O futuro do tempo

Apesar de conseguir cada vez mais precisões absurdas na medição do tempo, tudo isso será inútil com o passar do tempo, pois desde Einstein, sabemos que a experiência do passar do tempo depende da massa e da rotação do planeta onde se está, e a rotação da Terra está lentamente se desacelerando, ou seja, se quisermos manter o dia com o mesmo número de segundos, teríamos que mudar a duração do próprio segundo!
Portanto ao invés de buscar cada vez mais precisão em uma medida completamente arbitrária, seria muito mais útil para a humanidade, uma medida do tempo que contornasse estes problemas.
Assista o vídeo nesta página http://www.howstuffworks.com/atomic-clock.htm e reflita.


Referências

1 - http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1107/1107.2412.pdf
2 - http://www.npl.co.uk/science-technology/time-frequency/microwave-frequency-standards/research/operation-of-atomic-fountain
3 - http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock
4 - http://science.howstuffworks.com/atomic-clock.htm wiki/Atomic_clock
5 - http://tf.nist.gov/ofm/calcium/shelve2.htm
6 - http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_cavity
7 - http://www.cqed.org/spip.php?article122
8 - http://en.wikipedia.org/wiki/Atom_interferometer
9 - http://www.opticsinfobase.org/view_article.cfm?gotourl=http%3A%2F%2Fwww%2Eopticsinfobase%2Eorg%2FDirectPDFAccess%2FEBE27311-B18E-2E4D-CCA4A8767864855A_188300%2Foe-17-23-20661%2Epdf%3Fda%3D1%26id%3D188300%26seq%3D0%26mobile%3Dno&org=
10 - http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_maser
11 - http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cooling
12 - http://christian.j.borde.free.fr/sabbata21.pdf


Licença: Creative Commons, para as imagens cheque as referências.


fountain_schematic_PENDING.jpg (35.5 kB) Matheus Müller, 26/05/2013 19:32

Doppler_laser_cooling.svg.png (57.3 kB) Matheus Müller, 26/05/2013 19:32

ramsey_fringes_large.jpeg (132.2 kB) Matheus Müller, 27/05/2013 03:21

en_x_mom.png (40.8 kB) Matheus Müller, 27/05/2013 22:48

interf_ramsey.png (35.9 kB) Matheus Müller, 27/05/2013 22:48