PUBLICADOS BRASIL: Como funciona o novo relógio mais preciso do mundo

terça-feira, 29 de julho de 2025

Como funciona o novo relógio mais preciso do mundo

Equipamento é capaz de acertar o tempo com exatidão por quase 58 bilhões de anos – 4 vezes a idade do universo. Tecnologia óptica desafia atual convenção de "segundo".

Pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (Nist), um dos mais antigos laboratórios de física dos Estados Unidos, anunciaram neste mês uma melhoria em seu relógio atômico, estabelecendo um novo recorde de precisão. O equipamento é 41% mais pontual do que seu antecessor e capaz de medir corretamente os segundos com acerto de até 19 casas decimais.

Ele faz parte da mais recente geração de relógios atômicos ópticos e é 2,6 vezes mais estável que o recordista anterior.

O "relógio de lógica quântica", que está em desenvolvimento contínuo há 20 anos, utiliza técnicas de computação quântica que combinam um átomo de alumínio eletricamente carregado (íon) com um íon de magnésio.

Pesquisadores esperam que esse relógio possa abrir caminho para a
redefinição do segundo e também ajudar a explorar novas ideias na física.
— Foto: R. Jacobson/NIST

Ao medir as pequenas vibrações do íon de alumínio preso e resfriado até quase o zero absoluto, o equipamento calcula o tempo com tamanha precisão que seriam necessários 57,6 bilhões de anos – quatro vezes a idade do Universo – para ele atrasar ou adiantar um segundo.

Os dados foram publicados pelos cientistas do Nist na revista científica Physical Review Letters e desafiam a convenção de "segundo", estabelecida desde 1967 com base nas vibrações do césio. Entenda como os cientistas alcançaram tamanha precisão.

Dos relógios tradicionais aos relógios atômicos ópticos

Os relógios de pulso que usamos no dia a dia se baseiam em métodos e referências tradicionais para medir o tempo, como a rotação da Terra, explica a revista National Geographic.

Relógios mecânicos utilizam engrenagens e oscilações de pêndulos, e obtêm energia de uma mola principal. Carregada manualmente ou por meio de um rotor automático a mola transfere a energia para uma roda de equilíbrio por meio de um mecanismo de escape.

Já os relógios de quartzo, mais comuns atualmente, utilizam as vibrações de um cristal de quartzo, que oscila em frequência constante quando é aplicada uma corrente elétrica, proveniente de uma bateria ou célula solar.

Mas a ciência já leva a medição do tempo a níveis microscópicos, ou atômicos. Estes relógios se baseiam na capacidade de certos átomos, como os de césio, de vibrar em frequência extremamente constante quando expostos a micro-ondas eletromagnéticas.

Desde 1967, a convenção de segundo é baseada oscilação das partículas dos átomos de césio 133. O elemento se comporta como um pêndulo que "oscila" mais de 9 bilhões de vezes por segundo.

Agora, porém, os novos relógios ópticos são ainda mais precisos pois medem o tempo contando as oscilações da luz por meio de lasers que agitam os átomos em frequências muito mais altas do que as micro-ondas.

Íons de alumínio e magnésio superam o césio

O recorde de precisão e estabilidade alcançado pelo NIST envolveu uma cuidadosa melhoria em cada aspecto do relógio, desde o laser até a chamada "gaiola" onde os íons interagem.

Segundo a pesquisa, o íon de alumínio se tornou mais fácil de controlar com o laser a partir da combinação com um íon de magnésio, oferecendo uma estabilidade maior que a do césio.

Segundo David Hume, físico do Nist que lidera o projeto, o "tique-taque" do alumínio é mais estável do que o do césio, além de ser menos sensível a condições do ambiente, como temperatura e campos magnéticos.

"O íon de magnésio resfria o íon de alumínio, desacelerando-o. Ele também se move em conjunto com seu parceiro de alumínio, e o estado do relógio pode ser lido por meio do movimento do íon de magnésio. É isso que faz dele um 'relógio de lógica quântica'", dizem os cientistas no material de divulgação.

Além disso, o design do equipamento conseguiu ajustar o relógio a cada micromovimento do ambiente, impedindo-o de afetar a precisão do tique-taque. Isso foi obtido engrossando a lâmina de diamante que forma a carcaça do relógio e modificando os revestimentos de ouro dos eletrodos internos. Isso estabiliza ainda mais os campos elétricos que impulsionam a contagem do tempo.

O resfriamento também foi aperfeiçoado, já que os íons devem ser mantidos a uma temperatura próxima ao zero absoluto (cerca de -273,15 °C). Para isso, foi criada uma câmara especial em titânio de alto vácuo para evitar a entrada de átomos de hidrogênio que colidem com os íons.

Outra inovação foi o uso de um laser ultraestável com "pentes de frequência óptica", que funciona como uma "régua para a luz". Com essa melhoria, os pesquisadores conseguiram sondar os íons por um segundo inteiro, em vez do recorde anterior de 150 milissegundos.

"Isso aumentou a estabilidade do relógio, reduzindo o tempo necessário para medir até a 19ª casa decimal: de três semanas para apenas um dia e meio", dizem os cientistas.

Para que serve tanta precisão?

Ainda que no dia a dia a diferença de segundos possa não interferir na rotina, o impacto tecnológico de um aparelho de maior precisão é relevante. "O objetivo de construir um relógio ultrapreciso vai além de apenas quebrar novos recordes. A tecnologia moderna depende muito de relógios precisos. A Internet e os sistemas modernos de navegação não poderiam funcionar sem eles", alerta a revista especializada New Atlas.

A revista National Geographic também destaca a importância desta precisão para o funcionamento do sistema de posicionamento global (GPS).

Os satélites do GPS dependem de relógios atômicos para se sincronizarem com precisão e determinar a localização exata dos dispositivos na Terra. Um pequeno erro na medição do tempo pode resultar em vários quilômetros de erro na localização.

A contagem do tempo nos celulares ou nos smartwatches também pode se beneficiar de uma nova referência de calibragem do tempo, pois obtêm a hora por meio das torres de telefonia celular — que, por sua vez, também são sincronizadas com relógios atômicos e satélites GPS.

Essa nova geração de relógios poderá inclusive se tornar a nova referência para calibrar outros relógios.

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