Pesquisadores do IFSC/USP e do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF) desenvolveram o primeiro relógio de átomos frios do país, que visa maior precisão na análise dos padrões atômicos de frequência. Com átomos resfriados a cerca de um microkelvin acima do zero absoluto (0,000001 K = -273,149999 ºC), torna-se possível uma análise mais aprofundada, pois os efeitos de velocidade alta dos átomos são reduzidos. Consegue-se ter, assim, uma referência de frequência com muito mais resolução do que a existente em um relógio comercial, justamente por esses átomos estarem muito frios e em velocidade muito baixa (eles se movem cerca de um centímetro por segundo nessas temperaturas, quando comparado a velocidades da ordem de 400 m/s à temperatura ambiente), dando a possibilidade de interagir muito tempo com esse sistema atômico e quanto mais tempo se interage com ele, maior a qualidade da informação retirada.
O pesquisador Daniel Varela Magalhães, que trabalha e lidera essa linha de pesquisa, chamada metrologia científica de tempo e frequência, explica como o relógio de átomos frios se diferencia dos demais. “Se eu tiver um átomo em temperatura ambiente ele se move em uma velocidade muito alta, fazendo com que o tempo de interação com ele seja limitado e, consequentemente, haja uma informação extraída de qualidade inferior. O resfriamento do átomo o deixa mais “parado” e permite maior tempo de análise. O átomo torna-se um sistema de referência melhor. Você deixa o grupo de átomos bem quieto, a uma temperatura de um microkelvin acima do zero absoluto. Mesmo que você pare de aprisioná-lo, tornando-o livre e com menos perturbações possíveis, você tem mais tempo de interagir com ele”.
As pesquisas desenvolvidas pelo grupo, principalmente na definição de padrões atômicos de frequência, são fundamentais para o bom funcionamento de tecnologias de telecomunicação e de navegação, sendo inseridas na rotina diária de muitas pessoas. Por exemplo, nas telecomunicações exigem-se fontes de frequência estáveis para um funcionamento adequado, pois variações no tempo prejudicam estas tecnologias. Na navegação, ou nos 
celulares, há uma relação direta entre os relógios atômicos e o bom funcionamento do GPS, como explica o pesquisador. “Em cada satélite GPS você tem pelo menos três relógios atômicos funcionando de forma redundante, para dar estabilidade de frequência e para que eles consigam se localizar em relação aos outros satélites do sistema GPS. Este sinal, que é sincronizado, é passado para um sistema de GPS comum, como os do nosso celular. O nosso celular recebe o tempo de cada um desses satélites e ele faz uma diferença de tempo de chegada de cada um deles, que é como funciona o receptor de GPS. Se todos os satélites estão sincronizados e eu recebo sinal de todos eles, mas em tempos ligeiramente diferentes, é porque eu estou mais distante daquele que teve o tempo de chegada um pouco mais atrasado e assim você se localiza frente ao satélite, sabendo a posição e o tempo deles”.
Com o relógio de átomos frios, espera-se que, uma vez estabelecida essa medida de alta resolução de frequência, se consiga usá-la para calibrar outros sistemas, como base para o receptor de satélite, não só para localização do receptor, como para receber, em alta qualidade, a coordenada de tempo. O sistema utilizado em laboratório para a análise desses átomos, chamado de “chafariz” (pois joga-se a amostra de átomos para cima e espera-se que ela caia pela gravidade, como um chafariz), consegue uma resolução fantástica ao interrogar os átomos, visto que como eles estão muito frios, ficam muito tempo confinados num formato que se parece com uma bolinha, e essa bolinha se expande muito devagar, permitindo maior tempo de análise.
Outro projeto do grupo é o desenvolvimento de relógios de átomos frios compactos. Estes sistemas não lançam os átomos para cima, como chafariz (inviável no sistema compacto), mas resfriam os átomos e, enquanto eles caem, interagem com eles. Mas ele está tão frio, que se consegue também interagir por tempo suficiente para uma ótima resolução. O desenvolvimento do relógio em sistema compacto permitirá aplicação em sistemas diversos e ampliação da pesquisas para outros centros de investigação.
No mundo apenas 8 países trabalham com o relógio de átomos frios. No Brasil, o relógio ainda não está operacional, mas espera-se que ainda este ano este cenário mude.
(Texto: Barbara Maia – CEPOF)
Assessoria de Comunicação – IFSC/USP
