relógio atômico -Atomic clock

Relógio atômico
Os físicos do NIST Steve Jefferts (em primeiro plano) e Tom Heavner com o relógio atômico da fonte de césio NIST-F2, um padrão de tempo civil para os Estados Unidos
Classificação	Relógio
Indústria	Telecomunicações , ciência
Inscrição	TAI , navegação por satélite
Fonte de combustível	Eletricidade
Alimentado	Sim

O conjunto mestre do relógio atômico no Observatório Naval dos EUA em Washington, DC , que fornece o padrão de tempo para o Departamento de Defesa dos EUA. As unidades montadas em rack em segundo plano são relógios de feixe de césio Microsemi (anteriormente HP) 5071A. As unidades pretas em primeiro plano são os padrões de maser de hidrogênio MHM-2010 da Microsemi (anteriormente Sigma-Tau).

Um relógio atômico é um relógio que mede o tempo monitorando a frequência de radiação dos átomos. Baseia-se em átomos com diferentes níveis de energia . Os estados de elétrons em um átomo estão associados a diferentes níveis de energia e, nas transições entre esses estados, eles interagem com uma frequência muito específica de radiação eletromagnética . Este fenômeno serve de base para a definição de uma segunda do Sistema Internacional de Unidades :

O segundo, símbolo s, é a unidade de tempo do SI. É definido tomando o valor numérico fixo da frequência de césio , a frequência de transição hiperfina do estado fundamental não perturbada do átomo de césio 133, para ser${\displaystyle \Delta \nu _{\mathsf {Cs}}}$9 192 631 770 quando expresso na unidade Hz, que é igual a s ⁻¹ .

Esta definição é a base para o sistema de Tempo Atômico Internacional (TAI) que é mantido por um conjunto de relógios atômicos ao redor do mundo. O sistema de Tempo Universal Coordenado (UTC) que é a base do tempo civil implementa segundos bissextos para permitir que o tempo do relógio rastreie as mudanças na rotação da Terra dentro de um segundo enquanto é baseado em relógios baseados na definição do segundo.

Os recursos precisos de cronometragem dos relógios atômicos também são usados ​​para navegação por redes de satélites , como o Programa Galileo da União Européia e o GPS dos Estados Unidos . A precisão da cronometragem de um relógio atômico é importante porque quanto menor o erro em uma medição de tempo, menor é o erro na distância obtido pela multiplicação do tempo pela velocidade da luz .

A principal variedade de relógio atômico usa átomos de césio resfriados a temperaturas que se aproximam do zero absoluto. O padrão primário para os Estados Unidos, o relógio fonte de césio do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) chamado NIST-F2 mede o tempo com uma incerteza de 1 segundo em 300 milhões de anos (incerteza relativa10-16 ⁾ . NIST-F2 foi colocado online em 3 de abril de 2014.

História

Louis Essen (direita) e Jack Parry (esquerda) ao lado do primeiro relógio atômico de césio-133 do mundo (1955)

O físico escocês James Clerk Maxwell propôs medir o tempo com as vibrações das ondas de luz em seu Tratado de Eletricidade e Magnetismo de 1873: “Uma unidade de tempo mais universal pode ser encontrada tomando o tempo periódico de vibração do tipo particular de luz cujo comprimento de onda é a unidade de comprimento.' Maxwell argumentou que isso seria mais preciso do que a rotação da Terra, que define o segundo solar médio para cronometragem.

Durante a década de 1930, Isidor Rabi construiu equipamentos para relógios de frequência de ressonância magnética de feixe atômico .

A precisão dos relógios mecânicos, eletromecânicos e de quartzo é reduzida pelas flutuações de temperatura. Isso levou à ideia de medir a frequência das vibrações de um átomo para manter o tempo com muito mais precisão, como proposto por James Clerk Maxwell , Lord Kelvin e Isidor Rabi . Ele propôs o conceito em 1945, o que levou a uma demonstração de um relógio baseado em amônia em 1949. Isso levou ao primeiro relógio atômico preciso prático com átomos de césio sendo construído no National Physical Laboratory no Reino Unido em 1955.

Um relógio atômico de césio de 1975 (unidade superior) e bateria de backup (unidade inferior)

Em 1949, Kastler e Brossel desenvolveram uma técnica para fazer transições com luz chamada bombeamento óptico. Esta técnica é útil para criar ressonância magnética muito mais forte e sinais de absorção de microondas. Infelizmente, isso causou um efeito colateral com um leve deslocamento da frequência ressonante. Cohen-Tannoudji e outros gerenciaram e reduziram as mudanças de luz a níveis aceitáveis.

Ramsey desenvolveu um método para frequências mais altas e ressonâncias mais estreitas nos campos oscilantes. Kolsky, Phipps, Ramsey e Silsbee usaram essa técnica para espectroscopia de feixe molecular em 1950.

Depois de 1956, muitos grupos estudaram relógios atômicos como o National Institute of Standards and Technology (antigo National Bureau of Standards), o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) na Alemanha, o National Research Council (NRC) no Canadá, o National Physical Laboratório no Reino Unido, International Time Bureau ( francês : Bureau International de l'Heure , abreviado BIH), sediado no Observatório de Paris , National Radio Company , Bomac, Varian , Hewlett-Packard e Frequency & Time Systems.

Durante a década de 1950, a Companhia Nacional vendeu mais de 50 unidades do primeiro relógio atômico, o Atomichron . Em 1964, os engenheiros da Hewlett-Packard lançaram o modelo 5060 montado em rack de relógios de césio.

Definição do segundo

Em 1968, a duração do segundo foi definida como9 192 631 770 vibrações da frequência de transição hiperfina do estado fundamental imperturbável do átomo de césio-133. Antes disso, era definido pela existência de31 556 925 .9747 segundos no ano tropical de 1900. A definição de 1968 foi atualizada em 2019 para refletir a nova redação do ampere , kelvin , quilograma e mol decidida na redefinição de 2019 do Sistema Internacional de Unidades . Pesquisadores de cronometragem estão atualmente trabalhando no desenvolvimento de uma referência atômica ainda mais estável para o segundo, com um plano para encontrar uma definição mais precisa do segundo à medida que os relógios atômicos melhorem com base em relógios ópticos ou na constante de Rydberg por volta de 2030.

Avanços do relógio óptico

Um relógio de treliça de itérbio que usa fótons para medir o tempo com precisão

Os relógios ópticos foram desenvolvidos pela primeira vez nos anos 2000. Embora os relógios ópticos não sejam tão maduros quanto os relógios de césio, considerando que os relógios de césio vêm mantendo o tempo desde a definição do segundo em 1960, eles estão alcançando rapidamente novos níveis de precisão . Relógios ópticos que são tão precisos quanto os relógios de césio mais precisos disponíveis, ou seja, com uma incerteza relativa de10 ⁻¹⁶ , estão agora sendo desenvolvidos.

O primeiro avanço além da precisão dos relógios de césio ocorreu no NIST em 2010 com a demonstração de um relógio óptico de "lógica quântica" que usava íons de alumínio para atingir uma precisão de^10-17 . _ Os relógios ópticos são uma área de pesquisa muito ativa no campo da metrologia, pois os cientistas trabalham para desenvolver relógios baseados nos elementos itérbio , mercúrio , alumínio e estrôncio . Cientistas da JILA demonstraram um relógio de estrôncio com precisão de frequência de10 ⁻¹⁸ em 2015. Cientistas do NIST desenvolveram um relógio lógico quântico que mediu um único íon de alumínio em 2019 com uma incerteza de frequência de^10-19 . _ Na JILA em setembro de 2021, os cientistas demonstraram um relógio óptico de estrôncio com uma precisão diferencial de frequência de7,6 × 10 ⁻²¹ . Espera-se que o segundo seja redefinido quando o campo dos relógios ópticos amadurecer, por volta do ano de 2026 ou 2030. Para que isso ocorra, os relógios ópticos devem ser capazes de medir o tempo com altíssima precisão de forma consistente. Além disso, métodos para comparação confiável e precisa de diferentes relógios ópticos ao redor do mundo em laboratórios nacionais de metrologia devem ser demonstrados.

Avanços da metrologia e relógios ópticos

Desenvolvimentos tecnológicos como lasers e pentes de frequência óptica na década de 1990 levaram ao aumento da precisão dos relógios atômicos.

Relógios atômicos em escala de chip

O coração do relógio atômico em miniatura da próxima geração do NIST - tiquetaqueando em altas frequências "óticas" - é essa célula de vapor em um chip, mostrada ao lado de um grão de café para escala.

Além do aumento da precisão, o desenvolvimento de relógios atômicos em escala de chip expandiu o número de lugares em que os relógios atômicos podem ser usados. Em agosto de 2004, os cientistas do NIST demonstraram um relógio atômico em escala de chip que era 100 vezes menor que um relógio atômico comum e um uso de energia muito menor de125  mW . O relógio atômico era do tamanho de um grão de arroz com uma frequência de cerca de 9 gigahertz. Esta tecnologia tornou-se disponível comercialmente em 2011. Relógios atômicos na escala de um chip requerem menos de 30 miliwatts de potência .

O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia criou um programa NIST em um chip para desenvolver formas compactas de medir o tempo com um dispositivo de apenas alguns milímetros de diâmetro.

Os metrologistas estão atualmente (2022) projetando relógios atômicos que implementam novos desenvolvimentos, como armadilhas de íons e pentes ópticos para alcançar maiores precisões.

Como funcionam os relógios atômicos

Padrões de tempo

Um relógio atômico é baseado em um sistema de átomos que pode estar em um dos dois estados de energia possíveis. Um grupo de átomos em um estado é preparado e depois submetido à radiação de micro -ondas . Se a radiação for da frequência correta, vários átomos passarão para o outro estado de energia . Quanto mais próxima a frequência estiver da frequência de oscilação inerente dos átomos, mais átomos mudarão de estado. Isso permite um ajuste muito preciso da frequência da radiação de micro-ondas. Uma vez que a radiação de micro-ondas é ajustada para uma frequência conhecida, ela pode ser usada como um oscilador de cronometragem para medir o tempo decorrido.

Um pequeno número de laboratórios nacionais de metrologia mantém relógios atômicos, incluindo o Observatório de Paris , Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) na Alemanha, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia NIST no Colorado e Maryland , JILA na Universidade do Colorado Boulder , o Laboratório Nacional de Física / NPL no Reino Unido e o Instituto de Pesquisa Científica de Toda a Rússia para Engenharia Física e Metrologia Radiotécnica . Eles fazem isso projetando e construindo padrões de frequência que produziam oscilações elétricas em uma frequência cuja relação com a frequência de transição do césio 133 é conhecida para alcançar uma incerteza muito baixa. Esses padrões primários de frequência estimam e corrigem vários deslocamentos de frequência, incluindo deslocamentos Doppler relativísticos ligados ao movimento atômico, a radiação térmica do ambiente ( deslocamento do corpo negro ) e vários outros fatores. Os melhores padrões primários de corrente produzem o segundo SI com uma precisão que se aproxima de uma incerteza de uma parte em10 ¹⁶ .

É importante notar que neste nível de precisão, as diferenças no campo gravitacional no dispositivo não podem ser ignoradas. O padrão é então considerado na estrutura da relatividade geral para fornecer um tempo adequado em um ponto específico.

O Bureau Internacional de Pesos e Medidas abreviado BIPM fornece uma lista de frequências para que servem como representações secundárias do segundo . Esta lista contém os valores de frequência e respectivas incertezas padrão para a transição de microondas de rubídio e outras transições ópticas, incluindo átomos neutros e íons aprisionados. Esses padrões de frequência secundária podem ser tão precisos quanto uma parte em10 ¹⁸ ; no entanto, as incertezas na lista são uma parte10 ¹⁴ –10 ¹⁶ . Isso ocorre porque a incerteza no padrão central de césio contra o qual os padrões secundários são calibrados é uma parte em10 ¹⁴ –10 ¹⁶ .

Os padrões de frequência primária podem ser usados ​​para calibrar a frequência de outros relógios usados ​​em laboratórios nacionais. Estes são geralmente relógios de césio comerciais com muito boa estabilidade de frequência a longo prazo, mantendo uma frequência com uma estabilidade melhor do que 1 parte em10 ¹⁴ ao longo de alguns meses. A incerteza das frequências padrão primárias é de cerca de uma parte em10 ¹³ .

Os masers de hidrogênio , que contam com a transição hiperfina de 1,4 GHz no hidrogênio atômico, também são usados ​​em laboratórios de metrologia temporal. Masers superam qualquer relógio de césio comercial em termos de estabilidade de frequência de curto prazo. Tradicionalmente, esses instrumentos têm sido utilizados em todas as aplicações que exigem uma referência estável em períodos de tempo de menos de um dia (estabilidade de frequência de cerca de 1 parte em dez para tempos médios de algumas horas). Como alguns masers de hidrogênio ativos têm um desvio de frequência modesto, mas previsível com o tempo, eles se tornaram parte importante do conjunto de relógios comerciais do BIPM que implementam o Tempo Atômico Internacional.

Sincronização com satélites

As leituras de tempo dos relógios operados em laboratórios de metrologia que operam com o BIPM precisam ser conhecidas com muita precisão. Algumas operações requerem sincronização de relógios atômicos separados por grandes distâncias ao longo de milhares de quilômetros. Os Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS) fornecem uma solução satisfatória para o problema de transferência de tempo. Os relógios atômicos são usados ​​para transmitir sinais de tempo no Sistema de Posicionamento Global (GPS) dos Estados Unidos , no Sistema Global de Navegação por Satélite da Federação Russa (GLONASS), no sistema Galileo da União Europeia e no sistema BeiDou da China .

O sinal recebido de um satélite em um laboratório de metrologia equipado com um receptor com uma posição conhecida com precisão permite que a diferença de tempo entre a escala de tempo local e o tempo do sistema GNSS seja determinada com uma incerteza de alguns nanossegundos quando a média for superior a 15 minutos. Os receptores permitem a recepção simultânea de sinais de vários satélites e fazem uso de sinais transmitidos em duas frequências. À medida que mais satélites são lançados e iniciam as operações, as medições de tempo se tornarão mais precisas.

Esses métodos de comparação de tempo devem fazer correções para os efeitos da relatividade especial e da relatividade geral de alguns nanossegundos.

Pontos de dados que representam relógios atômicos em todo o mundo que definem o Tempo Atômico Internacional (TAI)

cronometragem internacional

Os laboratórios nacionais geralmente operam uma variedade de relógios. Estes são operados independentemente um do outro e suas medições às vezes são combinadas para gerar uma escala que é mais estável e mais precisa do que a de qualquer relógio individual. Esta escala permite comparações de tempo entre diferentes relógios no laboratório. Essas escalas de tempo atômicas são geralmente chamadas de TA(k) para laboratório k.

Coordinates Universal Time (UTC) é o resultado da comparação de relógios em laboratórios nacionais em todo o mundo com o Tempo Atômico Internacional. O tempo atômico internacional é uma média ponderada de cerca de 450 relógios em cerca de 80 instituições de tempo. A relativa estabilidade do TAI é em torno de uma parte em10 ¹⁶ .

Antes da publicação do TAI, a frequência do resultado é comparada com o segundo SI em vários padrões de frequência primários e secundários. Isso requer correções relativísticas aplicadas à localização do padrão primário que depende da distância entre o potencial de gravidade igual e o geóide rotativo da Terra. Essas correções são cerca de 1 parte para cada10 ¹⁶ metros de altitude. Os valores do geóide rotativo e do TAI mudam ligeiramente a cada mês e estão disponíveis na publicação BIPM Circular T. A escala de tempo TAI é adiada por algumas semanas, pois a média dos relógios atômicos em todo o mundo é calculada.

O TAI não é distribuído na cronometragem diária. Em vez disso, um número inteiro de segundos bissextos é adicionado ou subtraído para corrigir a rotação da Terra, produzindo UTC. Os segundos bissextos são modificados para que o tempo médio de rotação da Terra não se desvie do meio-dia UTC em mais de 0,9 segundos.

As instituições nacionais de metrologia mantêm uma aproximação do UTC referido como UTC(k) para o laboratório k. O UTC(k) é distribuído pelo Comitê Consultivo de Tempo e Frequência do BIPM. O deslocamento UTC-UTC(k) é divulgado mensalmente a cada cinco dias. Os relógios atômicos registram UTC(k) para não mais que 100 nanossegundos. Em alguns países, UTC(k) é a hora legal que é distribuída por rádio, televisão, telefone, Internet, cabos de fibra ótica , transmissores de sinal de tempo e relógios falantes. Além disso, o GNSS fornece medições de tempo para o país com precisão de alguns dez nanossegundos ou mais.

Considerações

A vida útil de um padrão é uma questão prática importante. Por exemplo, os relógios maser de hidrogênio são mais baratos, mas têm menor precisão a longo prazo. Por outro lado, os relógios de césio são mais precisos, mas são consideravelmente mais caros.

O consumo de energia dos relógios atômicos varia com seu tamanho. Por exemplo, os relógios de rubídio são menos precisos, mas são muito menores e mais baratos do que os relógios ópticos de estrôncio extremamente precisos.

Tipos

Uma equipe de aviadores da Força Aérea dos Estados Unidos carregando um relógio de rubídio.

Maser de hidrogênio

Césio

Os relógios de césio incluem o relógio NIST-F1 , desenvolvido em 1999, e o relógio NIST-F2 , desenvolvido em 2013.

O césio tem várias propriedades que o tornam uma boa escolha para um relógio atômico. Enquanto um átomo de hidrogênio se move a 1.600 m/s à temperatura ambiente e um átomo de nitrogênio se move a 510 m/s, um átomo de césio se move a uma velocidade muito mais lenta de 130 m/s devido ao aumento de sua massa. A frequência hiperfina do césio (9,19 GHz) também é maior do que outros elementos, como rubídio (6,8 GHz) e hidrogênio (1,4 GHz). A alta frequência de césio permite medições mais precisas. Os tubos de referência de césio adequados para os padrões nacionais atualmente duram cerca de sete anos e custam cerca de US$ 35.000. Os padrões primários de frequência e tempo, como os relógios atômicos do padrão de tempo dos Estados Unidos, NIST-F1 e NIST-F2, usam uma potência muito maior.

Rubídio

Os relógios padrão de rubídio são valorizados por seu baixo custo e tamanho pequeno (os padrões comerciais são tão pequenos quanto1,7 × 10 ⁵  mm ³ ) e estabilidade a curto prazo. Eles são usados ​​em muitas aplicações comerciais, portáteis e aeroespaciais. Os tubos padrão de rubídio modernos duram mais de dez anos e podem custar apenas US$ 50. Por exemplo, algumas aplicações comerciais usam um padrão de rubídio periodicamente corrigido por um receptor do sistema de posicionamento global (veja oscilador disciplinado GPS ). Isso alcança excelente precisão de curto prazo, com precisão de longo prazo igual (e rastreável) aos padrões de tempo nacionais dos EUA.

Hidrogênio

Os masers de hidrogênio têm estabilidade superior a curto prazo em comparação com outros padrões, mas menor precisão a longo prazo. A estabilidade a longo prazo dos padrões de radiação de hidrogênio diminui devido a mudanças nas propriedades da cavidade ao longo do tempo. A precisão dos masers de hidrogênio são por períodos de 1000 segundos. Isso torna os masers de hidrogênio bons para radioastronomia , em particular interferometria de linha de base muito longa . Os masers de hidrogênio são usados ​​para osciladores de volante em padrões de frequência atômica resfriados a laser e sinais de tempo de transmissão de laboratórios de padrões nacionais, embora eles devam ser corrigidos à medida que se desviam da frequência correta ao longo do tempo. O maser de hidrogênio também é útil para testes experimentais dos efeitos da relatividade especial e da relatividade geral , como o desvio gravitacional para o vermelho . ${\displaystyle 5\times 10^{-16}}$

Mecanismo de medição de tempo

Definição do Sistema Internacional de Unidades

Desde 1968, o SI definiu o segundo como a duração do9 192 631 770  ciclos de radiação correspondentes à transição entre dois níveis de energia do estado fundamental do átomo de césio-133. Em 1997, o Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) acrescentou que a definição anterior se refere a um átomo de césio em repouso a uma temperatura de zero absoluto .

Essa definição torna o oscilador de césio o padrão primário para medições de tempo e frequência, chamado de padrão de césio. Após a redefinição de 2019 das unidades básicas do SI , a definição de todas as unidades básicas, exceto o mol , e quase todas as unidades derivadas dependem da definição da segunda.

Ajuste e otimização

Diagrama de blocos simplificado de referência de frequência de feixe de césio comercial típico

Neste projeto em particular, a referência de tempo de um relógio atômico consiste em um relógio de quartzo oscilando na frequência de micro-ondas. O oscilador é disposto de modo que seus componentes determinantes de frequência incluam um elemento que pode ser controlado por um sinal de feedback. O sinal de feedback mantém o oscilador sintonizado em ressonância com a frequência da transição hiperfina .

O núcleo do relógio atômico de radiofrequência é uma cavidade de micro -ondas ajustável contendo um gás. Em um relógio maser de hidrogênio , o gás emite micro -ondas (as massas de gás ) em uma transição hiperfina, o campo na cavidade oscila e a cavidade é ajustada para a amplitude máxima de micro-ondas. Alternativamente, em um relógio de césio ou rubídio, o feixe ou gás absorve microondas e a cavidade contém um amplificador eletrônico para fazê-lo oscilar. Para ambos os tipos, os átomos do gás são preparados em um estado hiperfino antes de serem preenchidos na cavidade. Para o segundo tipo, o número de átomos que mudam de estado hiperfino é detectado e a cavidade é ajustada para um máximo de mudanças de estado detectadas.

A maior parte da complexidade do relógio está nesse processo de ajuste. O ajuste tenta corrigir efeitos colaterais indesejados, como frequências de outras transições de elétrons, mudanças de temperatura e a propagação em frequências causadas pela vibração de moléculas, incluindo o alargamento Doppler . Uma maneira de fazer isso é varrer a frequência do oscilador de micro-ondas em uma faixa estreita para gerar um sinal modulado no detector. O sinal do detector pode então ser demodulado para aplicar feedback para controlar o desvio de longo prazo na frequência de rádio. Desta forma, as propriedades da mecânica quântica da frequência de transição atômica do césio podem ser usadas para sintonizar o oscilador de micro-ondas na mesma frequência, exceto por uma pequena quantidade de erro experimental . Quando um relógio é ligado pela primeira vez, leva um tempo para o oscilador se estabilizar. Na prática, o mecanismo de feedback e monitoramento é muito mais complexo.

Mecanismo de relógio

Todos os dispositivos de cronometragem usam fenômenos oscilatórios para medir com precisão o tempo, seja a rotação da Terra para um relógio de sol , o balanço de um pêndulo em um relógio de pêndulo , as vibrações de molas e engrenagens em um relógio ou mudanças de voltagem em um quartzo . relógio de cristal . No entanto, todos estes são facilmente afetados por mudanças de temperatura e não são muito precisos. Os relógios mais precisos usam vibrações atômicas para acompanhar o tempo. Um dos fatores mais importantes no desempenho de um relógio é o fator de qualidade de linha atômica, Q, que é definido como a razão entre a frequência absoluta da ressonância e a largura de linha da própria ressonância . A ressonância atômica tem um fator de qualidade de linha muito maior que os dispositivos mecânicos. Os relógios atômicos também podem ser isolados dos efeitos ambientais em um grau muito maior. Os relógios atômicos têm a vantagem de que os átomos são universais, o que significa que a frequência de oscilação também é universal. Isso é diferente dos dispositivos de medição de tempo de quartzo e mecânicos que não possuem uma frequência universal. ${\estilo de exibição \nu _{0}}$${\displaystyle \Delta \nu }$

A qualidade de um relógio pode ser especificada por dois parâmetros: incerteza e estabilidade. A incerteza é uma medida do grau em que a taxa de tique-taque do relógio permanece constante sem acelerar ou desacelerar. A estabilidade é uma medida de como o relógio se comporta ao longo do tempo quando as medidas são calculadas em relação à precisão .

A instabilidade de um relógio é especificada pela equação: onde é a largura de linha espectroscópica do sistema de relógio, é o número de átomos ou íons usados ​​em uma única medição, é o tempo necessário para um ciclo e é o período médio. Isso significa que a instabilidade é menor quando a largura de linha é menor e quando a relação sinal/ruído é maior. A estabilidade melhora à medida que o tempo em que as medições são calculadas aumenta de segundos para horas e dias. A estabilidade é mais fortemente afetada pela freqüência do oscilador . É por isso que relógios ópticos como relógios de estrôncio (429 terahertz) são muito mais precisos do que relógios de césio (9,19 gigahertz). ${\displaystyle \textstyle \sigma _{y}(\tau)\approx {\frac {\Delta v}{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{ \text{c}}}{\tau }}}}$${\displaystyle \Delta \nu }$${\estilo de exibição N}$${\displaystyle T_{\text{c}}}$${\ estilo de exibição \ tau }$${\displaystyle \Delta \nu }$${\displaystyle {\sqrt {N}}}$${\ estilo de exibição \ tau }$${\displaystyle \Delta \nu }$

Precisão

Precisão histórica de relógios atômicos do NIST

A precisão dos relógios atômicos melhorou continuamente desde o primeiro protótipo na década de 1950. A primeira geração de relógios atômicos foi baseada na medição de átomos de césio, rubídio e hidrogênio. Em um período de tempo de 1959 a 1998, o NIST desenvolveu uma série de sete relógios de microondas de césio-133 chamados NBS-1 para NBS-6 e NIST-7 depois que a agência mudou seu nome de National Bureau of Standards para National Institute of Standards e Tecnologia. O primeiro relógio tinha uma precisão de10 ⁻¹¹ , e o último relógio tinha uma precisão de10-15 . ^_ Os relógios foram os primeiros a usar uma fonte de césio , que foi introduzida por Jerrod Zacharias , e resfriamento a laser de átomos, que foi demonstrado por Dave Wineland e seus colegas em 1978.

O próximo passo nos avanços do relógio atômico envolve ir de precisões de10-15 ^para precisão de10-18 e ^mesmo10-19 . _ O objetivo é redefinir o segundo quando os relógios se tornam tão precisos que não vão perder ou ganhar mais de um segundo na idade do universo . Para isso, os cientistas devem demonstrar a precisão dos relógios que usam estrôncio e itérbio e tecnologia de rede óptica .

O objetivo de um relógio atômico com^{A precisão de 10-16} foi alcançada pela primeira vez no relógio de fonte de césio NPL-CsF2 do Laboratório Nacional de Física do Reino Unido e no NIST-F2 dos Estados Unidos . O aumento da precisão do NIST-F1 para o NIST-F2 se deve aos avanços na tecnologia de resfriamento de nitrogênio líquido para átomos.

O desempenho dos padrões de frequência primários e secundários que contribuem para o Tempo Atômico Internacional (TAI) é avaliado. Os relatórios de avaliação de relógios individuais (principalmente primários) são publicados online pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).

Pesquisar

Um relógio óptico experimental baseado em estrôncio

A maioria das pesquisas se concentra nos objetivos muitas vezes conflitantes de tornar os relógios menores, mais baratos, mais portáteis, mais eficientes em termos de energia, mais precisos , mais estáveis ​​e mais confiáveis. O Cold Atom Clock Experiment in Space (CACES) testando um Cold Atom Clock na órbita da Terra em condições de microgravidade e o Atomic Clock Ensemble in Space são exemplos de pesquisa de relógios.

Representações secundárias do segundo

Uma lista de frequências recomendadas para representações secundárias do segundo é mantida pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) desde 2006 e está disponível online . A lista contém os valores de frequência e as respectivas incertezas padrão para a transição de microondas de rubídio e para várias transições ópticas. Esses padrões de frequência secundários são precisos no nível de 10⁻¹⁸ ; no entanto, as incertezas fornecidas na lista estão na faixa de 10⁻¹⁴ - 10⁻¹⁵ , uma vez que são limitados pela vinculação ao padrão primário de césio que atualmente (2018) define o segundo.

Relógios atômicos experimentais do século XXI que fornecem representações secundárias não baseadas em césio do segundo estão se tornando tão precisos que provavelmente serão usados ​​como detectores extremamente sensíveis para outras coisas além de medir frequência e tempo. Por exemplo, a frequência dos relógios atômicos é ligeiramente alterada pela gravidade, campos magnéticos, campos elétricos, força, movimento, temperatura e outros fenômenos. Os relógios experimentais tendem a continuar a melhorar, e a liderança em desempenho mudou entre vários tipos de relógios experimentais.

Relógios quânticos

Em março de 2008, físicos do NIST descreveram um relógio lógico quântico baseado em íons individuais de berílio e alumínio . Este relógio foi comparado ao relógio de íons de mercúrio do NIST. Esses eram os relógios mais precisos que haviam sido construídos, sem que nenhum relógio ganhasse nem perdesse tempo a uma taxa que excederia um segundo em mais de um bilhão de anos. Em fevereiro de 2010, os físicos do NIST descreveram uma segunda versão aprimorada do relógio lógico quântico baseado em íons individuais de magnésio e alumínio. Considerado o relógio mais preciso do mundo em 2010 com uma imprecisão de frequência fracionária de8,6 × 10 ⁻¹⁸ , oferece mais que o dobro da precisão do original. Em julho de 2019, os cientistas do NIST demonstraram um relógio lógico quântico Al ⁺ com total incerteza de9,4 × 10 ⁻¹⁹ , que é a primeira demonstração de tal relógio com incerteza abaixo de 10^-18 .

A precisão dos relógios quânticos experimentais já foi superada por relógios de rede óptica experimentais baseados em estrôncio-87 e itérbio-171 .

Conceito de relógio nuclear (óptico)

Uma possibilidade teórica para melhorar o desempenho dos relógios atômicos é usar uma transição de energia nuclear (entre diferentes isômeros nucleares ) em vez das transições de elétrons atômicos que os relógios atômicos atuais medem. A maioria das transições nucleares opera em uma frequência muito alta para ser medida, mas em 2003, Ekkehard Peik e Christian Tamm notaram que a energia de excitação excepcionalmente baixa de^229m
º
está ao alcance das técnicas atuais de medição de frequência, tornando possível um relógio. Em 2012, foi demonstrado que um relógio nuclear baseado em um único²²⁹
º³⁺
íon poderia fornecer uma imprecisão de frequência fracionária total de1,5 × 10 ⁻¹⁹ , o que é melhor do que a tecnologia de relógio atômico de 2019 existente. Embora permaneça uma possibilidade teórica não realizada, a partir de 2019 foi feito um progresso significativo no desenvolvimento de um relógio nuclear experimental.

Uma transição para a energia nuclear oferece as seguintes vantagens potenciais:

1. Frequência mais alta. Todas as outras coisas sendo iguais, uma transição de frequência mais alta oferece maior estabilidade por razões estatísticas simples (as flutuações são calculadas em média em mais ciclos).
2. Insensibilidade aos efeitos ambientais. Devido ao seu pequeno tamanho e ao efeito de blindagem dos elétrons circundantes, um núcleo atômico é muito menos sensível aos campos eletromagnéticos do ambiente do que um elétron em um orbital.
3. Maior número de átomos. Devido à já mencionada insensibilidade aos campos ambientais, não é necessário ter os átomos do relógio bem separados em um gás diluído. De fato, seria possível aproveitar o efeito Mössbauer e colocar os átomos em um sólido, o que permitiria interrogar bilhões de átomos.

Técnicas de comparação de relógio

Em junho de 2015, o Laboratório Físico Nacional Europeu (NPL) em Teddington, Reino Unido; o departamento francês de Sistemas de Referência Tempo-Espaço do Observatório de Paris (LNE-SYRTE); o Instituto Alemão Alemão de Metrologia (PTB) em Braunschweig ; e o Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica da Itália (INRiM) em laboratórios de Turim iniciaram testes para melhorar a precisão das atuais comparações de satélite de última geração por um fator de 10, mas ainda será limitado a uma parte em 1 . Esses 4 laboratórios europeus estão desenvolvendo e hospedando uma variedade de relógios ópticos experimentais que aproveitam diferentes elementos em diferentes configurações experimentais e desejam comparar seus relógios ópticos entre si e verificar se eles concordam. Em uma próxima fase, esses laboratórios se esforçam para transmitir sinais de comparação no espectro visível por meio de cabos de fibra óptica. Isso permitirá que seus relógios ópticos experimentais sejam comparados com uma precisão semelhante às precisões esperadas dos próprios relógios ópticos. Alguns desses laboratórios já estabeleceram conexões de fibra óptica e os testes começaram em trechos entre Paris e Teddington e Paris e Braunschweig. Links de fibra óptica entre relógios ópticos experimentais também existem entre o laboratório americano NIST e seu laboratório parceiro JILA , ambos em Boulder, Colorado, mas abrangem distâncias muito mais curtas do que a rede europeia e estão entre apenas dois laboratórios. De acordo com Fritz Riehle, físico do PTB, "a Europa está em uma posição única, pois possui uma alta densidade dos melhores relógios do mundo". Em agosto de 2016, o francês LNE-SYRTE em Paris e o alemão PTB em Braunschweig relataram a comparação e concordância de dois relógios ópticos de treliça de estrôncio totalmente independentes em Paris e Braunschweig em uma incerteza de5 × 10 ⁻¹⁷ através de um link de frequência coerente de fase recém-estabelecido conectando Paris e Braunschweig, usando 1.415  km (879  mi ) de cabo de fibra óptica de telecomunicações. A incerteza fracionária de todo o link foi avaliada como2,5 × 10 ⁻¹⁹ , possibilitando comparações de relógios ainda mais precisos. Em 2021, o NIST comparou a transmissão de sinais de uma série de relógios atômicos experimentais localizados a cerca de 1,5  km (1  mi ) de distância no laboratório do NIST, seu laboratório parceiro JILA e a Universidade do Colorado, todos em Boulder, Colorado, por ar e cabo de fibra óptica a uma precisão de8 × 10 ⁻¹⁸ .

Relógios ópticos

Maio de 2009- O relógio atômico óptico de estrôncio da JILA é baseado em átomos neutros. Lançar um laser azul em átomos de estrôncio ultrafrios em uma armadilha óptica testa a eficiência com que uma explosão anterior de luz de um laser vermelho impulsionou os átomos para um estado excitado. Apenas os átomos que permanecem no estado de energia mais baixo respondem ao laser azul, causando a fluorescência vista aqui.

A ideia de prender átomos em uma rede óptica usando lasers foi proposta pelo físico russo Vladilen Letokhov na década de 1960. A mudança teórica das micro-ondas como o "escape" atômico dos relógios para a luz na faixa óptica (mais difícil de medir, mas oferecendo melhor desempenho) rendeu a John L. Hall e Theodor W. Hänsch o Prêmio Nobel de Física em 2005. Um dos prêmios de Física de 2012 Nobelists, David J. Wineland , é um pioneiro na exploração das propriedades de um único íon retido em uma armadilha para desenvolver relógios da mais alta estabilidade. O primeiro relógio óptico foi iniciado no NIST em 2000 e concluído em 2006.

O desenvolvimento de pentes de frequência de femtossegundos , treliças ópticas , levou a uma nova geração de relógios atômicos. Esses relógios são baseados em transições atômicas que emitem luz visível em vez de micro -ondas . Um grande obstáculo ao desenvolvimento de um relógio óptico é a dificuldade de medir diretamente as frequências ópticas. Este problema foi resolvido com o desenvolvimento de lasers auto-referenciados de modo bloqueado, comumente chamados de pentes de frequência de femtossegundos. Antes da demonstração do pente de frequência em 2000, as técnicas de terahertz eram necessárias para preencher a lacuna entre as frequências de rádio e ópticas, e os sistemas para isso eram complicados e complicados. Com o refinamento do pente de frequência, essas medições se tornaram muito mais acessíveis e vários sistemas de relógios ópticos estão sendo desenvolvidos em todo o mundo.

Como na faixa de rádio, a espectroscopia de absorção é usada para estabilizar um oscilador – neste caso, um laser. Quando a frequência óptica é dividida em uma frequência de rádio contável usando um pente de femtossegundos , a largura de banda do ruído de fase também é dividida por esse fator. Embora a largura de banda do ruído de fase do laser seja geralmente maior do que as fontes de micro-ondas estáveis, após a divisão é menor.

Os principais sistemas considerados para uso em padrões de frequência óptica são:

• íons isolados em uma armadilha de íons;
• átomos neutros presos em uma rede óptica e
• átomos empacotados em uma rede óptica tridimensional de gás quântico.

Essas técnicas permitem que os átomos ou íons sejam altamente isolados de perturbações externas, produzindo assim uma referência de frequência extremamente estável. Lasers e armadilhas magneto-ópticas são usados ​​para resfriar os átomos para maior precisão.

Os sistemas atômicos em consideração incluem Al ⁺ , Hg ^+/2+ , Hg , Sr , Sr ^+/2+ , In ^+/3+ , Mg , Ca , Ca ⁺ , Yb ^+/2+/3+ , Yb e Th ^{+ /3+} . A cor da radiação eletromagnética de um relógio depende do elemento que é simulado. Por exemplo, os relógios ópticos de cálcio ressoam quando a luz vermelha é produzida, e os relógios de itérbio ressoam na presença de luz violeta.

Um dos pares de relógios atômicos de rede óptica de itérbio de 2013 do NIST

O elemento de terras raras itérbio (Yb) é valorizado não tanto por suas propriedades mecânicas, mas por seu complemento de níveis de energia interna. "Uma transição particular em átomos Yb, em um comprimento de onda de 578 nm, atualmente fornece um dos padrões de frequência atômica óptica mais precisos do mundo", disse Marianna Safronova. A quantidade estimada de incerteza alcançada corresponde a uma incerteza do relógio Yb de cerca de um segundo ao longo da vida do universo até agora, 15 bilhões de anos, de acordo com cientistas do Joint Quantum Institute (JQI) e da Universidade de Delaware em dezembro de 2012.

Em 2013, os relógios de treliça ópticos (OLCs) mostraram-se tão bons ou melhores que os relógios de fonte de césio. Dois relógios de treliça ópticos contendo cerca de10.000  átomos de estrôncio -87 foram capazes de permanecer em sincronia entre si com uma precisão de pelo menos1,5 × 10 ⁻¹⁶ , que é tão preciso quanto o experimento pode medir. Esses relógios foram mostrados para acompanhar todos os três relógios de fonte de césio no Observatório de Paris . Há duas razões para a precisão possivelmente melhor. Em primeiro lugar, a frequência é medida usando luz, que tem uma frequência muito maior do que as micro-ondas e, em segundo lugar, usando muitos átomos, qualquer erro é calculado. Usando átomos de itérbio-171 , um novo recorde de estabilidade com precisão de1,6 × 10 ⁻¹⁸ em um período de 7 horas foi publicado em 22 de agosto de 2013. Nesta estabilidade, os dois relógios de treliça ópticos trabalhando independentemente um do outro usados ​​pela equipe de pesquisa do NIST difeririam menos de um segundo sobre a idade do universo (13,8 × 10 ⁹  anos ); isso foi 10 vezes melhor do que os experimentos anteriores. Os relógios contam com 10.000 átomos de itérbio resfriados a 10 microkelvin e presos em uma rede óptica. Um laser a 578 nm excita os átomos entre dois de seus níveis de energia. Tendo estabelecido a estabilidade dos relógios, os pesquisadores estão estudando as influências externas e avaliando as incertezas sistemáticas restantes, na esperança de que possam trazer a precisão do relógio para o nível de sua estabilidade. Um relógio de treliça óptico aprimorado foi descrito em um artigo da Nature de 2014. Em 2015 JILA avaliou a incerteza de frequência absoluta de um relógio de rede óptica de estrôncio-87 em2,1 × 10 ⁻¹⁸ , que corresponde a uma dilatação do tempo gravitacional mensurável para uma mudança de elevação de 2 cm (0,79 pol) no planeta Terra que, de acordo com o JILA/NIST Fellow Jun Ye, está "chegando muito perto de ser útil para a geodésia relativística ". Nesta incerteza de frequência, espera-se que este relógio de rede óptica JILA não ganhe nem perca um segundo em mais de 15 bilhões de anos.

O relógio atômico de gás quântico tridimensional (3-D) da JILA de 2017 consiste em uma grade de luz formada por três pares de feixes de laser. Uma pilha de duas mesas é usada para configurar componentes ópticos em torno de uma câmara de vácuo. Aqui é mostrada a mesa superior, onde as lentes e outras óticas são montadas. Um feixe de laser azul excita uma nuvem de átomos de estrôncio em forma de cubo localizada atrás da janela redonda no meio da mesa. Os átomos de estrôncio fluorescem fortemente quando excitados com luz azul.

Em 2017, o JILA relatou um relógio de rede óptica de estrôncio de gás quântico experimental em 3D no qual os átomos de estrôncio-87 são empacotados em um pequeno cubo tridimensional (3-D) a 1.000 vezes a densidade dos relógios unidimensionais anteriores (1-D). como o relógio JILA de 2015. Uma comparação de relógio síncrono entre duas regiões da rede 3D rendeu um nível recorde de sincronização de5 × 10 ⁻¹⁹ em 1 hora de tempo médio. A peça central do relógio de treliça óptica de gás estrôncio 3D é um estado incomum da matéria chamado gás de Fermi degenerado (um gás quântico para partículas de Fermi). Os dados experimentais mostram que o relógio de gás quântico 3D alcançou uma precisão de3,5 × 10 ⁻¹⁹ em cerca de duas horas. De acordo com Jun Ye "Isso representa uma melhoria significativa em relação a quaisquer demonstrações anteriores". Ye comentou ainda: "O potencial mais importante do relógio de gás quântico 3D é a capacidade de aumentar os números de átomos, o que levará a um enorme ganho de estabilidade". e "A capacidade de aumentar o número de átomos e o tempo de coerência tornará este relógio de nova geração qualitativamente diferente da geração anterior". Em 2018, a JILA relatou que o relógio de gás quântico 3D atingiu uma precisão de frequência de2,5 × 10 ⁻¹⁹ durante 6 horas. Nessa incerteza de frequência, esse relógio de gás quântico 3D perderia ou ganharia cerca de 0,1 segundo ao longo da idade do universo. Recentemente, provou-se que o emaranhamento quântico pode ajudar a aumentar ainda mais a estabilidade do relógio. Em 2020, os relógios ópticos foram pesquisados ​​para aplicações espaciais como futuras gerações de sistemas globais de navegação por satélite (GNSSs) como substitutos para relógios baseados em micro-ondas.

Em fevereiro de 2022, cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison relataram um relógio atômico óptico “multiplexado”, onde os relógios individuais se desviavam um do outro com uma precisão equivalente a perder um segundo em 300 bilhões de anos. O pequeno desvio relatado é explicável, pois os osciladores de relógio em questão estão em ambientes ligeiramente diferentes. Estes estão causando reações diferentes à gravidade, campos magnéticos ou outras condições. Essa abordagem de rede de relógios miniaturizada é nova, pois usa uma rede óptica de átomos de estrôncio e uma configuração de seis relógios que podem ser usados ​​para demonstrar estabilidade relativa, incerteza fracionária entre relógios e métodos para comparações de altíssima precisão entre conjuntos de relógios atômicos ópticos que estão localizados próximos um do outro em uma instalação de metrologia.

Os relógios ópticos são atualmente (2022) ainda principalmente projetos de pesquisa, menos maduros que os padrões de microondas de rubídio e césio, que regularmente entregam tempo ao Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) para estabelecer o Tempo Atômico Internacional (TAI) . À medida que os relógios experimentais ópticos vão além de suas contrapartes de micro-ondas em termos de precisão e desempenho de estabilidade, isso os coloca em posição de substituir o padrão atual de tempo, o relógio de fonte de césio. No futuro, isso pode levar a redefinir o segundo SI baseado em micro-ondas de césio e outras novas técnicas de disseminação no mais alto nível de precisão para transferir sinais de clock serão necessárias, que podem ser usadas em comparações de curto e longo alcance (frequência) entre melhores clocks e explorar suas limitações fundamentais sem comprometer significativamente seu desempenho. O BIPM informou em dezembro de 2021, com base no progresso dos padrões ópticos que contribuem para o TAI, o Comitê Consultivo de Tempo e Frequência (CCTF) iniciou o trabalho para uma redefinição do segundo esperado durante a década de 2030.

Relógios atômicos em escala de chip

Os relógios de césio mais precisos baseados na frequência de césio de 9,19 gigahertz têm uma precisão entre . Infelizmente, eles são grandes e estão disponíveis apenas em grandes laboratórios de metrologia e não são úteis para fábricas ou ambientes industriais que usariam um relógio atômico para precisão do GPS, mas não podem construir um laboratório de metrologia inteiro para um relógio atômico. Pesquisadores projetaram um relógio óptico de estrôncio que pode ser movido em um trailer de carro com ar condicionado. ${\displaystyle 10^{-15}-10^{-16}}$

Redefinindo o segundo

Em 2022, a melhor realização do segundo é feita com relógios de padrão primário de césio, como IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 ou SYRTE-FO2. Esses relógios funcionam resfriando a laser uma nuvem de átomos de Cs a um microkelvin em uma armadilha magneto-óptica. Esses átomos frios são então lançados verticalmente por luz laser. Os átomos então sofrem excitação de Ramsey em uma cavidade de micro-ondas. A fração de átomos excitados é então detectada por feixes de laser . Esses relógios têm5 × 10 ⁻¹⁶ incerteza sistemática, que é equivalente a 50 picossegundos por dia. Um sistema de várias fontes em todo o mundo contribui para o Tempo Atômico Internacional. Esses relógios de césio também sustentam as medições de frequência óptica.

A vantagem dos relógios ópticos pode ser explicada pela afirmação de que a instabilidade , onde f é a frequência, é a instabilidade e S / N é a relação sinal-ruído. Isso leva à equação . ${\displaystyle \sigma \propto {\frac {\Delta f}{f}}{\frac {1}{S/N}}}$${\ estilo de exibição \ sigma }$${\displaystyle \sigma (\tau )={\frac {1}{2\pi f{\sqrt {NT_{int}\tau }}}}}$

Relógios ópticos são baseados em transições ópticas proibidas em íons ou átomos. Eles têm frequências ao redor10 ¹⁵  Hz , com uma largura de linha natural de tipicamente 1 Hz, então o fator Q é aproximadamente${\estilo de exibição \Delta f}$10 ¹⁵ , ou ainda maior. Eles têm melhor estabilidade do que os relógios de micro-ondas, o que significa que podem facilitar a avaliação de incertezas mais baixas. Eles também têm uma melhor resolução de tempo, o que significa que o relógio "marca" mais rápido. Os relógios ópticos usam um único íon ou uma rede óptica com10 ⁴ –10 ⁶ átomos.

Constante de Rydberg

Uma definição baseada na constante de Rydberg envolveria fixar o valor em um determinado valor: . A constante de Rydberg descreve os níveis de energia em um átomo de hidrogênio com a aproximação não relativística . ${\displaystyle R_{\infty }={\frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{ e}c\alpha ^{2}}{2h}}}$${\displaystyle E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}}$

A única maneira viável de corrigir a constante de Rydberg envolve prender e resfriar o hidrogênio. Infelizmente, isso é difícil porque é muito leve e os átomos se movem muito rápido, causando desvios Doppler. A radiação necessária para resfriar o hidrogênio —121,5 nm — também é difícil. Outro obstáculo envolve melhorar a incerteza nos cálculos de eletrodinâmica quântica /QED.

Requisitos

Uma redefinição deve incluir maior confiabilidade do relógio óptico. TAI deve ser contribuído por relógios ópticos antes que o BIPM afirme uma redefinição. Um método consistente de envio de sinais deve ser desenvolvido antes que o segundo seja redefinido, como fibra ótica.

Formulários

O desenvolvimento de relógios atômicos levou a muitos avanços científicos e tecnológicos, como um sistema de sistemas de navegação por satélite globais e regionais precisos e aplicações na Internet , que dependem criticamente de padrões de frequência e tempo. Relógios atômicos são instalados em locais de transmissores de rádio de sinal de tempo . Eles são usados ​​em algumas estações de transmissão de ondas longas e médias para fornecer uma frequência portadora muito precisa. Os relógios atômicos são usados ​​em muitas disciplinas científicas, como para interferometria de linha de base longa em radioastronomia .

Sistemas globais de navegação por satélite

O Sistema de Posicionamento Global (GPS) operado pela Força Espacial dos Estados Unidos fornece sinais de tempo e frequência muito precisos. Um receptor GPS funciona medindo o atraso de tempo relativo dos sinais de um mínimo de quatro, mas geralmente mais, satélites GPS, cada um com pelo menos dois relógios atômicos de césio a bordo e até dois relógios atômicos de rubídio. Os tempos relativos são matematicamente transformados em três coordenadas espaciais absolutas e uma coordenada de tempo absoluta. GPS Time (GPST) é uma escala de tempo contínua e teoricamente precisa de cerca de 14 nanossegundos . No entanto, a maioria dos receptores perde a precisão na interpretação dos sinais e tem precisão de apenas 100 nanossegundos. O GPST está relacionado, mas difere do TAI (Tempo Atômico Internacional) e UTC (Tempo Universal Coordenado). GPST permanece em um deslocamento constante com TAI (TAI – GPST = 19 segundos) e como TAI não implementa segundos bissextos. Correções periódicas são realizadas nos relógios de bordo dos satélites para mantê-los sincronizados com os relógios de solo. A mensagem de navegação GPS inclui a diferença entre GPST e UTC. Em julho de 2015, o GPST está 17 segundos à frente do UTC devido ao segundo bissexto adicionado ao UTC em 30 de junho de 2015. Os receptores subtraem esse deslocamento do horário do GPS para calcular os valores de UTC e fuso horário específico.

O GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) operado pelas Forças de Defesa Aeroespacial da Rússia oferece uma alternativa ao sistema Global Positioning System (GPS) e é o segundo sistema de navegação em operação com cobertura global e precisão comparável. O GLONASS Time (GLONASST) é gerado pelo Sincronizador Central GLONASS e normalmente é melhor que 1.000 nanossegundos. Ao contrário do GPS, a escala de tempo GLONASS implementa segundos bissextos, como UTC.

Space Passive Hydrogen Maser usado nos satélites ESA Galileo como um relógio mestre para um sistema de temporização a bordo

O Sistema Global de Navegação por Satélite Galileo é operado pela Agência GNSS Europeia e pela Agência Espacial Europeia . A Galileo começou a oferecer capacidade operacional antecipada (EOC) global em 15 de dezembro de 2016, fornecendo o terceiro e primeiro Sistema Global de Navegação por Satélite não militar. Galileo System Time (GST) é uma escala de tempo contínua que é gerada no solo no Centro de Controle Galileo em Fucino, Itália, pelo Precise Timing Facility, baseado em médias de diferentes relógios atômicos e mantido pelo Galileo Central Segment e sincronizado com TAI com um deslocamento nominal abaixo de 50 nanossegundos. De acordo com a Agência GNSS Europeia, o Galileo oferece precisão de tempo de 30 nanossegundos. O Relatório de Desempenho Trimestral de março de 2018 do Centro de Serviços GNSS Europeu relatou que a Precisão do Serviço de Disseminação de Hora UTC foi ≤ 7,6 nanossegundos, calculada pelo acúmulo de amostras nos 12 meses anteriores e excedendo a meta de ≤ 30 ns. Cada satélite Galileo tem dois maser de hidrogênio passivo e dois relógios atômicos de rubídio para cronometragem a bordo. A mensagem de navegação Galileo inclui as diferenças entre GST, UTC e GPST (para promover a interoperabilidade). No verão de 2021, a União Europeia estabeleceu um Maser de Hidrogênio Passivo para a segunda geração de satélites Galileo, a partir de 2023, com uma vida útil prevista de 12 anos por satélite. Os masers são cerca de 2 pés de comprimento com um peso de 40 libras.

O sistema de navegação por satélite BeiDou-2/BeiDou-3 é operado pela Administração Espacial Nacional da China . BeiDou Time (BDT) é uma escala de tempo contínua que começa em 1º de janeiro de 2006 às 0:00:00 UTC e é sincronizada com UTC dentro de 100 ns. BeiDou tornou-se operacional na China em dezembro de 2011, com 10 satélites em uso, e começou a oferecer serviços para clientes na região Ásia-Pacífico em dezembro de 2012. Em 27 de dezembro de 2018, o Sistema de Satélite de Navegação BeiDou começou a fornecer serviços globais com precisão de tempo relatada de 20ns. O 35º e último satélite BeiDou-3 para cobertura global foi lançado em órbita em 23 de junho de 2020.

relógio espacial experimental

Em abril de 2015, a NASA anunciou que planejava implantar um Relógio Atômico do Espaço Profundo (DSAC), um relógio atômico de íons de mercúrio miniaturizado e ultrapreciso, no espaço sideral. A NASA disse que o DSAC seria muito mais estável do que outros relógios de navegação. O relógio foi lançado com sucesso em 25 de junho de 2019 e ativado em 23 de agosto de 2019 e desativado dois anos depois em 18 de setembro de 2021.

Uso militar

Em 2022, a DARPA anunciou um esforço para atualizar os sistemas militares de cronometragem dos EUA para maior precisão ao longo do tempo quando os sensores não têm acesso a satélites GPS, com um plano para atingir precisão de 1 parte em10 ¹² . A Robust Optical Clock Network equilibrará usabilidade e precisão à medida que é desenvolvida ao longo de 4 anos.

Transmissores de rádio de sinal de tempo

Um relógio de rádio é um relógio que se sincroniza automaticamente por meio de sinais de tempo de rádio recebidos por um receptor de rádio . Alguns fabricantes podem rotular relógios de rádio como relógios atômicos porque os sinais de rádio que eles recebem se originam de relógios atômicos. Receptores normais de baixo custo que dependem dos sinais de tempo modulados em amplitude têm uma incerteza de precisão prática de ± 0,1 segundo. Isso é suficiente para muitas aplicações de consumo. Os receptores de tempo de grau de instrumento fornecem maior precisão. Tais dispositivos incorrem em um atraso de propagação de aproximadamente 1  ms para cada 300 quilômetros (186 milhas) de distância do transmissor de rádio . Muitos governos operam transmissores para fins de cronometragem.

Relatividade geral

A relatividade geral prevê que os relógios andam mais devagar em um campo gravitacional. Os relógios atômicos são eficazes para testar a relatividade geral em escalas cada vez menores. Um projeto para observar 12 relógios atômicos de 11 de novembro de 1999 a outubro de 2014 resultou em mais uma demonstração de que a teoria da relatividade geral de Einstein é precisa em pequenas escalas. Em 2021, uma equipe de cientistas do JILA mediu a diferença na passagem do tempo devido ao redshift gravitacional entre duas camadas de átomos separados por 1 milímetro usando um relógio óptico de estrôncio resfriado a 100 nanokelvin com precisão de7,6 × 10 ⁻²¹ segundos. Os relógios atômicos também podem ser usados ​​para ver como o tempo é influenciado pela relatividade geral e pela mecânica quântica ao mesmo tempo.

Sistemas financeiros

Os relógios atômicos mantêm registros precisos das transações entre compradores e vendedores com precisão de milissegundos ou melhor, principalmente em negociações de alta frequência . A cronometragem precisa é necessária para evitar o comércio ilegal com antecedência, além de garantir a justiça aos comerciantes do outro lado do globo. O sistema atual conhecido como NTP tem precisão de apenas um milissegundo.

Veja também

Notas explicativas

Referências

links externos

• National Research Council Canada, FAQ : "O que é um 'relógio atômico de césio'?"
• National Research Council Canada, conteúdo arquivado: Padrão de frequência óptica baseado em um único íon preso
• Departamento de Serviço de Tempo do Observatório Naval dos Estados Unidos
• PTB Braunschweig, Alemanha – com link em inglês
• Site da hora do Laboratório Nacional de Física (Reino Unido)
• NIST Internet Time Service (ITS): Defina o relógio do seu computador pela Internet
• Comunicado de imprensa do NIST sobre relógio atômico em escala de chip
• Site do NIST
• Páginas da Web em relógios atômicos por The Science Museum (Londres)
• Relógio Atômico Óptico BBC, 2005
• Relógio de treliça óptico — Journal of the Physical Society of Japan
• A fonte atômica
• Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, conteúdo arquivado: Optical Frequency Comb – The Measurement of Optical Frequencies
• Frequências padrão para calibração de tempo pelo BIPM