Os relógios atômicos ópticos representam uma evolução dos tradicionais relógios atômicos, nos quais o “tic-tac” é definido pela frequência de oscilação da luz de um laser. Contudo, o sistema óptico e o laser ainda são volumosos, o que torna esses relógios grandes e complexos demais para serem amplamente utilizados em aplicações cotidianas.
Assim como uma régua com muitas subdivisões, os relógios atômicos ópticos utilizam “réguas de luz” para dividir um segundo em frações ainda menores, resultando em uma precisão de tempo e localização muito superior — milhares de vezes mais precisa.
A miniaturização desses relógios tem um potencial incrível. Se adaptados para dispositivos como celulares, computadores e sistemas de GPS, poderiam melhorar a precisão do tempo e da localização em até mil vezes.
Agora, uma equipe das universidades Purdue (EUA) e Chalmers (Suécia) desenvolveu uma tecnologia que utiliza componentes fotônicos conhecidos como micropentes — pentes de frequência fabricados dentro de chips. Essa inovação pode tornar os sistemas de relógios atômicos ópticos mais precisos, menores e mais acessíveis.
[Imagem: Kaiyi Wu/Chalmers University of Technology]
O coração da nova tecnologia está em dispositivos baseados em chip, equipados com pequenas “pernas” que se assemelham aos dentes de um pente. Essas “pernas” são responsáveis por gerar um espectro de frequências de luz uniformemente distribuídas.
“Isso permite que uma das frequências do pente seja bloqueada em uma frequência do laser, que, por sua vez, é ajustada à oscilação do relógio atômico”, explicou o professor Minghao Qi.
Embora os relógios atômicos ópticos ofereçam uma precisão muito superior, sua frequência de oscilação está na faixa de centenas de terahertz (THz), uma frequência muito alta para ser diretamente interpretada por circuitos eletrônicos convencionais. Contudo, os micropentes conseguiram resolver esse desafio, permitindo que o sistema do relógio atômico fosse significativamente reduzido.
“Felizmente, nossos chips microente podem atuar como uma ponte entre os sinais ópticos do relógio atômico e as frequências de rádio, que são usadas para contar as oscilações do relógio atômico. Além disso, o tamanho compacto do micropente permite encolher consideravelmente o sistema do relógio atômico, mantendo sua precisão extraordinária”, complementou seu colega Victor Company.
[Imagem: Kaiyi Wu/Chalmers University of Technology]
O protótipo desenvolvido pela equipe já incorpora fotônica integrada, o que significa que ele utiliza fontes de luz baseadas em chip, substituindo as volumosas ópticas de laser.
“A tecnologia de integração fotônica torna possível combinar os componentes ópticos dos relógios atômicos ópticos, como pentes de frequência, fontes atômicas e lasers, em pequenos chips fotônicos, com tamanhos variando de micrômetros a milímetros. Isso reduz significativamente o tamanho e o peso do sistema”, explicou o professor Kaiyi Wu.
Embora a equipe tenha resolvido um problema importante e desenvolvido uma nova arquitetura para relógios atômicos miniaturizados, ainda há desafios a serem enfrentados para criar um chip que possibilite a produção de um relógio atômico de pulso. Por exemplo, o sistema necessário para contar os ciclos de uma frequência óptica demanda muitos outros componentes além dos micropentes, como moduladores, detectores e amplificadores ópticos.
Ainda assim, a equipe deu um passo significativo em direção à fabricação em massa, tornando os relógios atômicos ópticos mais acessíveis e econômicos para uma variedade de aplicações, tanto na sociedade quanto na ciência.
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