O LASER MAIS ESTÁVEL JÁ CONSTRUÍDO

Os melhores relógios atômicos contam as vibrações da luz absorvida pelos átomos. Para isso, precisam de um laser cuja frequência quase não se mexa, de modo a poder sondar transições atômicas extremamente estreitas. Os lasers mais estáveis de hoje são travados numa cavidade de silício criogênica: dois espelhos mantidos afastados por uma barra de silício monocristalino, resfriada muito abaixo da temperatura ambiente. A luz que ricocheteia entre os espelhos só ressoa em frequências muito precisas, e o laser é forçado a segui-las.

Essas cavidades já atingem uma estabilidade relativa no nível de 10⁻¹⁷ — a frequência varia cerca de um centésimo de milionésimo de bilionésimo do seu valor. Em muitos experimentos, o laser ainda é uma das principais fontes de ruído — então um laser mais estável melhora a medição imediatamente.

Espelhos que se agitam

O que limita as melhores cavidades de silício é o ruído térmico browniano nos revestimentos dos espelhos: as finas camadas refletoras nunca ficam perfeitamente paradas, porque o calor faz seus átomos se agitarem. Esse movimento minúsculo altera o comprimento da cavidade e, com ele, a cor da luz.

Ben Lewis, Jun Ye e seus colegas do JILA (NIST e Universidade do Colorado, em Boulder), com físicos do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), em Braunschweig, na Alemanha, fizeram duas mudanças nas cavidades de silício de 21 centímetros anteriores:

• Mais frio. Os sistemas anteriores funcionavam a 124 K, uma das temperaturas em que o silício deixa de dilatar ou contrair com o calor. A nova cavidade, chamada Si7, funciona a 16 K, a outra temperatura desse tipo, ou a 6 K, a mais fria que seu criostato consegue atingir.
• Um feixe mais largo. Usando um espelho menos abaulado (raio de curvatura de 10,2 metros em vez de 1 metro), a mancha de luz sobre os espelhos cresce de 480 para 850 micrômetros de raio — alargar o feixe é uma das maneiras conhecidas de reduzir o ruído térmico.

Juntas, essas mudanças reduzem o ruído térmico de três a cinco vezes em comparação com os sistemas anteriores.

Combater as vibrações no frio

As duas mudanças normalmente tornam uma cavidade mais sensível a vibrações, e atingir 6 ou 16 K exige um criorrefrigerador de hélio — uma máquina que trepida. A equipe colocou o criorrefrigerador no chão, ao lado da mesa óptica, levando o hélio frio por tubos até o experimento. A cavidade, sustentada pelo meio por três esferas de rubi de 6 milímetros de diâmetro, fica sobre uma mesa de isolamento ativo de vibrações.

O frio traz outro problema: perto do zero absoluto, os materiais armazenam muito pouco calor, então as oscilações de temperatura são difíceis de amortecer. A solução foi o érbio, que a 16 K armazena 6 vezes mais calor por volume que o aço inoxidável e 13 vezes mais que o cobre. Camadas de blindagens e massas de érbio retardam qualquer variação de temperatura para uma escala de tempo de cerca de quatro dias. O sensor de controle é mantido a 16,183 K, e um sensor independente fica a menos de 100 milionésimos de grau de seu alvo.

O recorde

Comparado com duas outras cavidades de silício e um relógio atômico de estrôncio, o laser atinge:

• a 6 K, uma estabilidade relativa de 7 × 10⁻¹⁸ entre 2 e 50 segundos de média — um novo recorde: flutuações de apenas cerca de 1,4 milésimo de hertz — e uma largura de linha (a dispersão da própria frequência do laser) de 2,5 milihertz numa frequência de luz de 194 terahertz;
• a 16 K, 9 × 10⁻¹⁸, uma largura de linha de 2,9 mHz, mas um comportamento melhor ao longo de dias.

O ruído cai quando a cavidade fica mais fria, o que mostra que o laser atingiu o limite pretendido: o ruído térmico dos revestimentos, e não as vibrações ou a eletrônica.

Em duas séries de 14 e 7 dias, o relógio de estrôncio acompanhou a lenta deriva da cavidade: menos de 4 microhertz por segundo, comparável a um maser de hidrogênio (o oscilador de referência dos laboratórios de tempo) e dez vezes menos que as cavidades de silício operadas a 124 K. A cavidade chegou a isso nove meses após o resfriamento; as cavidades a 124 K levaram uma década.

Olhares de vários segundos sobre os átomos

O laser já está em ação. Comandando o relógio de rede óptica de estrôncio (átomos presos numa grade de luz laser), ele permite sondar os átomos por mais de 10 segundos — e quanto mais longa a sondagem, mais estreita a linha dos átomos, e com mais precisão o relógio encontra o seu centro. Após 12 segundos, o sinal de interferência (franjas de Ramsey) ainda conserva 75% do seu contraste, e um único pulso de 12,4 segundos dá uma linha de apenas 64 milihertz de largura. O estado excitado do estrôncio-87 usado pelo relógio vive cerca de 170 segundos — a próxima fronteira para os tempos de interrogação.

Rumo a 10⁻¹⁸

O novo laser substituirá a referência anterior do JILA e, segundo os autores, permitirá que todos os relógios ópticos da rede de Boulder alcancem uma dada precisão até dez vezes mais cedo. Revestimentos cristalinos nos espelhos poderiam reduzir o ruído térmico para cerca de 1,5 × 10⁻¹⁸ a 6 K; cavidades mais frias e mais longas ou feixes mais largos poderiam levá-lo a 1 × 10⁻¹⁸ ou menos. Resta um mistério: um ruído extra além de 100 segundos, cuja origem nenhum sensor dentro do criostato consegue ainda identificar.