- Pesquisadores do NIST elevaram significativamente a precisão do relógio de íon de alumínio e estabeleceram um novo recorde de maior precisão do mundo
- Alcançaram 41% mais precisão que o recorde anterior e estabilidade 2,6 vezes maior em comparação com outros relógios de íons
- Melhorias importantes de desempenho foram obtidas com técnicas inovadoras, como a 'espectroscopia de lógica quântica' com pares de íons alumínio-magnésio, além de otimização do sistema de vácuo e upgrades no laser
- Após décadas de pesquisa, tornou-se possível medir 1 segundo na escala de 10^-19, o que deve contribuir para a próxima definição da unidade de tempo e para o avanço da física quântica
- Com a redução do tempo de medição, espera-se aplicação também em áreas mais amplas, como geociências e pesquisas de nova física além do Modelo Padrão
Melhoria de desempenho e novo recorde do relógio de íon do NIST
- Pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (NIST), dos Estados Unidos, melhoraram o desempenho de um relógio atômico baseado em íon de alumínio, alcançando a maior precisão já registrada no mundo
- O relógio atingiu precisão de medição do tempo até 19 casas decimais
- Como resultado de upgrades contínuos de desempenho realizados nos últimos 20 anos, apresentou 41% mais precisão que o recorde mundial anterior e estabilidade 2,6 vezes maior
- Isso foi possível graças a melhorias minuciosas em todos os componentes, como laser, armadilha de íons e câmara de vácuo
- O resultado foi publicado na Physical Review Letters
Princípio e inovação do relógio de íon de alumínio
- O íon de alumínio apresenta um 'tic' extremamente constante e de alta frequência, o que o torna excepcionalmente adequado para medir o tempo
- Ele oferece uma frequência mais estável que a do césio, usado anteriormente para definir o segundo
- Também é superior por ser menos sensível a mudanças ambientais, como temperatura ao redor ou campo magnético
- No entanto, como o alumínio tem a característica de ser difícil de detectar e resfriar com laser, foi adotado um 'sistema de parceiro' que usa também um íon de magnésio para compensar isso
- O magnésio pode ser bem controlado e resfriado com laser, e por meio da técnica de espectroscopia de lógica quântica é possível observar indiretamente o estado do íon de alumínio
Principais fatores da melhoria de desempenho do sistema
- Micromovimentos desnecessários na armadilha onde os íons são armazenados (excess micromotion) eram uma causa de queda na precisão
- Melhoria na estrutura da armadilha: uso de uma pastilha de diamante mais espessa e otimização do revestimento de ouro para corrigir o desequilíbrio dos eletrodos, minimizando o movimento dos íons
- A câmara de vácuo também foi redesenhada com titânio no lugar do aço anterior, reduzindo em mais de 150 vezes a concentração interna de hidrogênio e diminuindo bastante colisões com íons e interrupções experimentais
- Com essas melhorias, o ciclo de recarga foi drasticamente ampliado, de 30 minutos para vários dias
Estabilidade do laser e redução do tempo de medição
- Garantir alta estabilidade do laser foi a chave para elevar a precisão
- Um laser de estabilidade de classe mundial, produzido no laboratório JILA do NIST (grupo de Jun Ye), foi transmitido por fibra óptica até o laboratório de relógios do NIST, a 3,6 km de distância
- Usando um frequency comb, as características dos dois lasers foram comparadas e, no fim, o laser do relógio passou a ter a estabilidade do laser do laboratório de Ye
- Graças a isso, o tempo de medição dos íons (medição do tic) foi estendido de 150 ms para 1 segundo, permitindo reduzir drasticamente o tempo necessário para medir até a 19ª casa decimal, de 3 semanas para um dia e meio
Contribuições futuras e aplicações do relógio de íon do NIST
- Esse novo recorde de precisão fornece a base para futuras aplicações em várias áreas, como a redefinição do segundo como padrão mundial, geociências e física de precisão
- O upgrade do relógio também melhorou bastante sua capacidade como testbed para ambiente experimental baseado em lógica quântica
- O relógio pode ser usado como ferramenta central em pesquisas de fenômenos físicos além do Modelo Padrão, como geodésia e a investigação de possíveis variações de constantes naturais
- Como o tempo necessário ficou menor, abrem-se oportunidades para novas medições e experimentos científicos
- No futuro, será possível aumentar drasticamente a capacidade de medição adicionando mais íons ou aplicando entanglement entre íons
Artigo de referência
- Mason C. Marshall et al., "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, publicado online em 14 de julho de 2025, DOI: 10.1103/hb3c-dk28
1 comentários
Comentários do Hacker News
Se você colocar dois desses relógios lado a lado, até mesmo uma diferença de alguns centímetros na altitude (posição vertical) já pode ser medida pela diferença de gravidade/dilatação do tempo. É impressionante viver numa era em que, mesmo que não exatamente nesse nível, você pode comprar relógios atômicos de feixe de césio por alguns milhares de dólares e até tentar montar um com as próprias mãos
Relógios de césio seriam comparáveis a uma resolução de deslocamento vertical de cerca de 1 milha (1,6 km). Uma curiosidade divertida sobre relógios de césio é que dá para colocar uns três numa minivan e levar para acampar
http://leapsecond.com/great2005/
Eu disse que esse nível de precisão é impressionante, então fiquei me perguntando quão difícil e caro seria um laboratório "razoavelmente bem equipado" construir seu próprio relógio óptico. Existem alguns relógios ópticos do tamanho de alguns racks sendo vendidos comercialmente por preços bem altos; queria saber se os materiais em si ainda são caros, ou se o custo é puramente pela especialização necessária
Essa forma de comparar relógios ultraprecisos é muito legal. Espero ver altímetros einsteinianos por toda parte no futuro
Fico curioso sobre por quanto tempo, na prática, é possível medir uma “mudança de alguns centímetros na posição vertical”. Não tenho certeza se isso pode ser medido instantaneamente
Fico pensando até onde a precisão ainda pode melhorar realisticamente. Dá até para imaginar se algum dia chegaremos a um ponto em que possamos ver, com a gravidade, não apenas efeitos em escala cósmica, mas coisas do cotidiano, como ondas gravitacionais ou padrões de interferência produzidos quando alguém passa ao lado
SKO BUFFS. Trabalhei por pouco tempo na NOAA, e gostei muito de trabalhar fazendo caminhadas pelo NIST no mesmo campus. Era um prédio muito legal. Mas o campus inteiro está sob ameaça de fechamento
Reuni algumas discussões recentes sobre relógios atômicos.
Novo relógio de fonte atômica se junta ao grupo que “mantém o mundo no horário” (NIST)
Salto adiante nos relógios nucleares abre caminho para a era definitiva da cronometragem ultraprecisa (NIST)
No comentário do primeiro post eu também deixei um resumo do segundo, que trata do desenvolvimento de um novo tipo de relógio atômico “nuclear”, baseado no núcleo atômico e não nos elétrons. Não há menção à precisão, então fiquei curioso para comparar sua precisão com a deste relógio de "íon"
A maior incerteza no relógio Al+ é a dilatação relativística do tempo causada pelo pequeno movimento do íon dentro da armadilha de íons. O relógio de 229Th (tório) também sofreria o mesmo efeito, mas imagino que uma massa atômica maior possa ajudar a suprimi-lo
Como leigo, tenho a dúvida de que, para medir a precisão de um relógio, não seria necessário um relógio ainda mais preciso. Fico me perguntando como se mede a precisão do relógio mais preciso do mundo
Fico curioso sobre como se mede a precisão de um relógio. Se todos os relógios tiverem pequenos erros, então todos não estariam errados?
A exatidão de um relógio segue a definição; depois mede-se a precisão. Se você construir dois relógios e medir o quanto eles divergem entre si, consegue saber a precisão.
Se os dois relógios estiverem em posições diferentes, também dá para fazer experimentos interessantes com dilatação do tempo mensurável etc. Por exemplo:
Essa é a pergunta divertida que sempre aparece quando se fala de relógios precisos.
Você constrói duas ou mais cópias do mesmo relógio e as usa ao mesmo tempo, sincronizadas no mesmo instante. Se fossem relógios perfeitos, não haveria diferença com o passar do tempo, mas na prática eles vão se desalinhar gradualmente (há tanto desvios sistemáticos quanto aleatórios).
Observando essa diferença, vê-se o erro do relógio se espalhar como uma espécie de “caminhada aleatória”. Se você fizer o experimento com vários relógios, a variância do erro mostra qual relógio é melhor.
Mesmo sem um padrão absolutamente perfeito, dá para medir a aleatoriedade comparando dois deles
Desde 1967 existe uma definição física de 1 segundo
https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition
Na prática, o que se mede não é a “exatidão” do relógio, mas o “tamanho do ruído”. A fonte do relógio em si não muda fisicamente, mas há ruído misturado.
Por exemplo, campos magnéticos minúsculos, mudanças de temperatura etc. também podem alterar a velocidade do relógio, então é preciso bloquear/controlar isso o máximo possível. Os efeitos restantes são corrigidos por cálculo, e esse valor é justamente a exatidão.
Se quiser medir diretamente, também dá para sincronizar dois relógios idênticos e compará-los depois de algum tempo (também é preciso considerar os efeitos da relatividade)
O tempo é definido com base em fenômenos físicos invariáveis.
Por exemplo, todos os elétrons são perfeitamente idênticos, então é possível usar esse tipo de propriedade para criar um padrão de tempo preciso
Fico em dúvida se isso é propriamente um 'relógio' ou se, como em um codificador de posição, é apenas um 'sinal de clock'. Ou seja, será que ele só funciona como um 'valor absoluto' dentro de um certo intervalo?
Relógios atômicos ópticos baseados em um único íon aprisionado, ou em redes ópticas de átomos neutros, não geram por si só um sinal de clock contínuo.
Em vez disso, é necessário um laser (frequency comb, pente de frequência). Ele divide um sinal óptico na faixa de centenas de THz em sinais eletrônicos na faixa de MHz~GHz.
Para garantir continuidade completa como relógio de sinal para representação real do tempo, são necessários vários relógios ópticos (atualmente é preciso redefini-los com frequência, porque acabam perdendo os íons e átomos neutros).
O sinal contínuo é fornecido pelo laser. Esse laser opera no infravermelho com base em vidro dopado com érbio ou itérbio, e é ajustado para corresponder à frequência de ressonância do íon.
Em intervalos curtos é difícil filtrar o ruído, então a estabilidade da frequência é determinada pela qualidade da cavidade ressonante de silício (resfriada a temperaturas muito baixas, com transmissão de infravermelho e outros requisitos de qualidade).
Como o sinal de clock de um computador, no longo prazo ele fica no nível de sincronização externa, como NTP, e no curto prazo no nível de um oscilador de quartzo interno.
Este relógio óptico de íon tem a menor incerteza já registrada para uma frequência de referência. Mas, como usa um único íon aprisionado, tem mais ruído de curto prazo do que os baseados em redes de átomos neutros (que usam milhares de átomos).
Por isso, é preciso fazer a média do sinal de saída real por um período muito longo (no mínimo vários dias) para atingir a exatidão declarada.
A exatidão de curto prazo (1 segundo) é cerca de mil vezes melhor do que a dos melhores relógios de micro-ondas atuais de césio e hidrogênio, mas, mesmo ao fazer média, já alcança o desempenho dos relógios de micro-ondas anteriores
Fico me perguntando se realmente existe um padrão absoluto de tempo, fora de algum ponto de partida cósmico como o Big Bang
Os sinais de clock podem ser acumulados e contados todos, e no longo prazo são muito precisos. Conceitualmente, também seria possível acumular trilhões de sinais como em um codificador rotativo (em geral é só que quase nunca se faz esse tipo de contagem com codificadores)
Gostei da descrição de que seria o 'melhor relógio' feito de diamante e ouro. Parece coisa de Minecraft
O artigo tem várias imagens interessantes, como a foto do dispositivo. O alumínio é claramente superior ao césio, mas era difícil de lidar na prática, e agora parece que os obstáculos que impediam que ele se tornasse o padrão finalmente foram resolvidos
Preprint
https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")
Se você quiser acesso autenticado ao servidor NTP do NIST, precisa necessariamente enviar uma carta por correio dos EUA ou por FAX (e-mail não é permitido).
O NIST também responde com as informações da chave apenas por correio (uso de e-mail absolutamente proibido).
Como o departamento que normalmente recebe correio e FAX está com acesso restrito no momento, pode haver atrasos consideráveis no processamento dos pedidos
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
(descobri isso ao implementar fedramp)
Fico curioso se o NIST consideraria adotar NTS (Network Time Security)
https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main
Fico me perguntando se pessoas que moram no exterior também podem usar FAX. Para usuários fora dos EUA, esse processo parece um tanto inconveniente