Fazer medições com um pente de dentes finos

Para muitas pessoas, uma medição soa mundana, como marcar carrapatos em uma régua ou ler a linha em um termômetro. É um dado. E eles tendem a pensar que as medidas melhoradas parecem traços cada vez mais finos em uma régua. Mas fazer novas medições é mais do que apenas fazer marcas mais finas em uma régua. Medir algo é entendê-lo, desmontá-lo e ver como funciona. Novas medições podem abrir possibilidades que até os cientistas nunca pensaram quando começaram. Talvez não haja melhor exemplo do que o pente de frequência óptica. Muito simplesmente, este dispositivo é uma régua para a luz. No entanto, é muito mais do que um governante.

Ondas de rádio, microondas, luz visível, raios X e infravermelho fazem parte do espectro de frequências eletromagnéticas. São todas ondas, viajando na velocidade da luz, mas a distância entre os picos dessas ondas pode ser de quilômetros, como algumas ondas de rádio, ou de nanômetros, como luz visível e ultravioleta.

Na década de 1970, os cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) estavam presos. Eles queriam relógios atômicos mais precisos e precisos, baseados nas frequências ópticas muito altas da luz liberada pelos átomos à medida que seus elétrons saltam entre os estados de energia, em oposição às frequências mais baixas de micro-ondas que estavam usando. Relógios melhores lhes dariam uma definição mais precisa do segundo. Um segundo mais preciso daria a eles uma melhor definição do metro, que é a distância que a luz percorre no vácuo em uma pequena fração de segundo. Mas tudo isso dependia da capacidade de medir essas frequências de luz com precisão e precisão.

Havia uma lacuna na medição entre as duas extremidades do espectro eletromagnético. Os cientistas podiam medir as frequências de rádio e micro-ondas com precisão, mas não havia eletrônicos que pudessem contar rápido o suficiente para acompanhar as frequências ópticas do átomo. Eles poderiam usar um laser com uma frequência correspondente para ler a frequência óptica do átomo. Os cientistas tinham lasers com frequências conhecidas e exatas, mas só podiam produzir uma única frequência ou cor. Sem saber a frequência exata do átomo, encontrar o laser de frequência certo para ler o átomo exigiria muitas tentativas e erros. Os cientistas do NIST tentaram encadear vários lasers de diferentes frequências para fazer uma régua óptica rudimentar. Isso funcionou bem o suficiente para redefinir o medidor, mas não foi uma solução de longo prazo.

Digite o pente de frequência, um dispositivo vencedor do Prêmio Nobel e o resultado de décadas de pesquisa do NIST e outros. O pente gera um bilhão de pulsos de luz por segundo, que saltam para frente e para trás dentro de uma cavidade óptica. Isso cria milhões de picos de frequências ópticas que parecem dentes da cor do arco-íris em um pente (daí o nome). O primeiro dente desse pente é definido para uma frequência conhecida, o que dá aos cientistas um ponto de partida para ler as outras frequências. Assim como uma régua, se você souber que o primeiro marcador tem um milímetro e cada marcador está a um milímetro de distância, você pode facilmente começar a medir. Da mesma forma, porque sabem exatamente a que distância essas frequências estão, os cientistas podem traduzir esses sinais ópticos em micro-ondas com uma fórmula matemática simples, unindo as duas extremidades do espectro eletromagnético. Isso abre muitas portas de pesquisa.

Os cientistas usaram essa nova tecnologia para fazer relógios melhores, eventualmente desenvolvendo relógios 100 vezes melhores do que os relógios de césio usados ​​para os padrões de tempo civis. Relógios mais precisos e precisos são essenciais para a navegação GPS, que depende de sinais de tempo precisos para determinar sua localização. Relógios melhores também têm vantagens de pesquisa, desde detectar pequenas mudanças na gravidade até estudar fenômenos do mundo quântico e talvez encontrar matéria escura. Esses relógios podem eventualmente mudar a forma como definimos um segundo.

Todos os átomos e moléculas emitem frequências únicas de luz quando saltam entre estados de energia, não apenas os átomos usados ​​nos relógios. Se uma das frequências do pente atinge um átomo ou molécula com exatamente a mesma frequência, os cientistas podem identificar que tipo de átomo ou molécula eles atingiram. Usando o pente de frequência óptica, os cientistas puderam estudar a composição das estrelas em detalhes requintados. Os astrofísicos podem dizer se encontraram um novo planeta medindo as mudanças nas frequências da luz das estrelas. Usando pentes de frequência, podemos melhorar os sistemas de alcance de luz, que refletem a luz em objetos para detectá-los como radar ou sonar. Eles podem ver objetos através das chamas, ajudando os cientistas do NIST a estudar como as estruturas falham durante um incêndio. O pente também está sendo usado para detectar até mesmo as menores quantidades de gases de efeito estufa no ar ou procurar doenças na respiração humana.