Tecnologia Científica
Pesquisadores simplificam projeto de relógios atômicos ópticos sem comprometer desempenho
Pesquisadores demonstraram um novo relógio atômico óptico que usa um único laser e não requer temperaturas criogênicas. Ao reduzir muito o tamanho e a complexidade dos relógios atômicos sem sacrificar a precisão e a estabilidade, esse avanço pode...
Por
Optica - 18/09/2024
Pesquisadores desenvolveram um relógio atômico óptico que usa um pente de frequência para excitar diretamente uma transição de dois fótons em átomos de rubídio-87. Quando os fótons são enviados de direções opostas, o efeito do movimento em um desses fótons cancela quaisquer efeitos de movimento no outro fóton, permitindo o uso de átomos quentes. Crédito: Jason Jones, University of Arizona
Pesquisadores demonstraram um novo relógio atômico óptico que usa um único laser e não requer temperaturas criogênicas. Ao reduzir muito o tamanho e a complexidade dos relógios atômicos sem sacrificar a precisão e a estabilidade, esse avanço pode levar a relógios atômicos de alto desempenho que são compactos e portáteis.
"Nas últimas duas décadas, muitos grandes avanços foram feitos no desempenho dos relógios atômicos de última geração", disse o líder da equipe de pesquisa Jason Jones, da Universidade do Arizona.
"No entanto, muitos desses sistemas não são adequados para uso em aplicações do mundo real. Para tirar essa tecnologia avançada do laboratório, usamos um design simplificado no qual um laser de pente de frequência única atua como pêndulo do relógio, ou mecanismo de tique-taque, e como a engrenagem que rastreia o tempo."
Os pentes de frequência — um tipo de laser que emite milhares de cores regularmente espaçadas, ou frequências — têm sido revolucionários para relógios atômicos e cronometragem. No periódico Optics Letters , Jones e colegas descrevem um relógio atômico óptico que usa um pente de frequência para excitar diretamente uma transição de dois fótons em átomos de rubídio-87. Eles mostram que esse novo design atinge o mesmo desempenho de um relógio atômico óptico tradicional com dois lasers.
"Esse avanço também pode ajudar a aprimorar a rede GPS — que depende de relógios atômicos baseados em satélite — melhorando o desempenho e tornando relógios alternativos ou de backup mais acessíveis", disse o primeiro autor do artigo, Seth Erickson.
"É também um primeiro passo para levar relógios atômicos de alto desempenho para aplicações cotidianas e até mesmo para as casas das pessoas, o que poderia, por exemplo, permitir que a rede de telecomunicações alternasse entre diferentes conversas muito rapidamente. Isso poderia tornar possível para muitas pessoas se comunicarem simultaneamente pelos mesmos canais de telecomunicações e aumentar as taxas de dados."
O novo relógio atômico óptico baseado em excitação de pente de frequência direta, que é retratado no laboratório, obteve o mesmo desempenho de um relógio atômico óptico tradicional com dois lasers. Crédito: Jason Jones, University of Arizona
Simplificando a cronometragem avançada
Em um relógio óptico, excitar níveis de energia atômica com um laser faz com que os átomos transitem entre níveis de energia específicos. A frequência precisa dessas transições serve como o "tique-taque" do relógio, permitindo a medição do tempo com alta precisão. Embora relógios atômicos ópticos portáteis em escala de chip tenham sido desenvolvidos, os relógios ópticos mais precisos e estáveis usam átomos presos em temperaturas próximas ao zero absoluto para minimizar o movimento atômico, o que pode alterar as frequências de luz do laser experimentadas pelos átomos.
Para evitar a necessidade de tal resfriamento extremo, Jones e colegas usaram níveis de energia atômica que exigem a absorção de dois fótons — em vez de um fóton — para mover para um nível de energia mais alto. Quando os fótons são enviados de direções opostas no átomo, os efeitos de movimento em um desses fótons cancelam qualquer efeito de movimento no outro fóton. Isso permite o uso de átomos quentes (100 °C) e um design de relógio significativamente mais simples.
"Uma grande inovação deste trabalho é que, em vez de usar um laser de cor única para enviar fótons ao átomo de cada direção, enviamos uma ampla gama de cores a partir de um pente de frequência", disse Jones.
"Usar os pares corretos de fótons com cores diferentes do pente de frequência permite que eles se somem da mesma forma que dois fótons de um laser de cor única fariam, excitando assim o átomo de forma semelhante. Isso elimina a necessidade de um laser de cor única, simplificando ainda mais o relógio atômico."
Os pesquisadores dizem que a ampla disponibilidade de pentes de frequência comerciais e componentes de fibra robustos, como grades de Bragg, em comprimentos de onda de telecomunicações facilitaram muito o desenvolvimento deste novo design. Eles usaram grades de Bragg de fibra para estreitar o espectro de pente de frequência de banda larga para menos de 100 GHz, centralizado na transição atômica do rubídio-87. Este espectro filtrado estreitamente aumentou a sobreposição entre a saída do pente de frequência e o espectro de excitação para os átomos de rubídio-87.
Comparação de relógios
Para testar a nova abordagem, os pesquisadores compararam duas versões quase idênticas do novo relógio de pente de frequência direta com um relógio tradicional que incluía o uso de um laser de frequência única adicional. Os novos relógios mostraram desempenho consistente com instabilidades de 1,9×10 ? 13 em 1 segundo e com média de 7,8(38)×10 ? 15 em 2600 segundos. Esse desempenho foi semelhante ao do relógio tradicional e outros resultados publicados usando uma arquitetura de laser de frequência única.
Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar seu design de relógio atômico óptico, tornando-o menor e mais estável a longo prazo, bem como incorporando novos avanços na tecnologia de laser. A abordagem de pente de frequência direta também pode ser usada com outras transições atômicas de dois fótons, incluindo aquelas para as quais lasers de frequência única de baixo ruído não estão disponíveis atualmente.
Mais informações: Seth E. Erickson et al, Padrão de frequência atômica baseado em espectroscopia de pente de frequência direta, Optics Letters (2024). DOI: 10.1364/OL.531600
Informações do periódico: Optics Letters
