Equipe Sandia Labs quer construir o menor relógio atômico do mundo

Feb 15, 2024

Yuan-Yu Jau, investigador sênior do Sandia National Lab, quer construir o menor relógio atômico do mundo.

Se tiver sucesso, ele e sua equipe dos Laboratórios Nacionais Sandia farão um relógio atômico menor que um cubo de açúcar.

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa desafiou equipes de pesquisa no ano passado a construir relógios menores e mais precisos.

Jau lidera uma das duas equipes Sandia que estão tentando fazer isso.

“Eles querem um centímetro cúbico para tudo e, atualmente, não existe um relógio atômico com esse tamanho”, disse Jau em comunicado à imprensa de Sandia.

O design central do relógio que Jau e sua equipe estão construindo tem apenas 0,04 centímetros cúbicos, disse o comunicado.

A DARPA quer que esses pequenos relógios tenham precisão de um milionésimo de segundo após uma semana.

Sandia constrói relógios compactos há décadas. Ajudou a desenvolver um relógio de 17 centímetros cúbicos, conhecido como Chip Scale Atomic Clock, no início dos anos 2000 – aproximadamente do tamanho de uma caixa de fósforos. Era o menor relógio atômico do mundo na época e ainda é o menor disponível no mercado varejista.

O National Bureau of Standards dos EUA, agora Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, inventou o primeiro relógio atômico em 1948.

Esses relógios medem o tempo usando sinais eletromagnéticos emitidos por elétrons ao redor de um átomo, “tornando-o incrivelmente preciso”, segundo o comunicado.

Os relógios atômicos permitiram o surgimento de novas inovações, incluindo o GPS.

A DARPA quer criar relógios pequenos e precisos para ajudar os veículos quando o GPS não estiver disponível.

“Isso funciona da mesma forma que você calcula a distância percorrida por um carro em um longo trecho de rodovia”, dizia o comunicado. “Se você dirige constantemente a 60 milhas por hora, você sabe que depois de uma hora você viajou 60 milhas. Um relógio confiável é metade da equação.”

Sandia e DARPA querem que seus relógios sejam 30 vezes mais precisos do que os atuais relógios de pequena escala e de última geração.

Eles também desejam melhorias no consumo de energia e na sensibilidade à temperatura e à vibração.

“Isso é muito mais desafiador do que o que as pessoas fizeram até agora”, disse Jau no comunicado.

Sandia disse que a redução do tamanho, peso e potência dos relógios atômicos torna mais fácil para os sistemas de navegação avançados beneficiar embarcações navais, drones e satélites.

Jau tem confiança de que ele e sua equipe conseguirão construir o relógio, já que o plano tem essencialmente 16 anos, segundo o comunicado.

Como instrutor de física na Universidade de Princeton em 2007, Jau construiu um protótipo que chamou de oscilador atômico a laser.

Ele desempenhava a mesma função de um relógio atômico, mas era do tamanho de uma caixa de ferramentas. Ele tinha um pulso semelhante ao de um relógio, resultante do brilho de um laser através de uma nuvem de átomos de potássio.

Além disso, era independente. O oscilador não precisava de equipamento eletrônico externo para controlar seu pulso periódico.

“O hardware de suporte é comum em muitos tipos de relógios atômicos e geralmente ocupa a maior parte do espaço”, dizia o comunicado. “Se você removesse os componentes eletrônicos de suporte de um CSAC do tamanho de uma caixa de fósforos, descobriria que o tique-taque físico ocorre em um pacote apenas do tamanho de um grão de arroz.”

Jau construiu um protótipo maior de relógio atômico porque é mais fácil fazê-lo.

“Você sabe, com meus dedos de salsicha”, disse ele no comunicado.

Jau disse que substituirá átomos de potássio por césio e reduzirá seu projeto usando máquinas e ferramentas no complexo de Engenharia, Ciência e Aplicações de Microssistemas da Sandia. É uma instalação híbrida de pesquisa, desenvolvimento e produção de microeletrônica.

Como o projeto não precisa de hardware periférico, Jau acredita que pode reduzir drasticamente o tamanho, o peso e os requisitos de energia necessários para os relógios atômicos.

“Usaremos apenas o volume do pacote físico que existe no relógio CSAC existente, mas nos livraremos da complicada eletrônica que o rodeia”, disse Jau no comunicado.

A DARPA forneceu a Jau e sua equipe dois anos de financiamento, e eles poderão receber mais se atingirem os padrões de tamanho e desempenho.