A 12ª Conferência Geral de Pesos e Medidas de 1964 autorizou o Comitê de Pesos e Medidas a designar a frequência atômica para ser usada numa nova definição física da unidade de tempo.

Apesar dos trabalhos com o átomo de césio já estarem em andamento e que a definição de frequência ter sido realizada da conferência anterior, nesta, o segundo ainda não estava em pauta para uma redefinição, uma vez que os trabalhos nesse campo foram considerados ainda em progresso.

Os trabalhos em questão baseavam-se a transição entre níveis hiperfinos de transição do estado padrão do átomo de césio 133, não perturbado por campos externos, que atingia uma frequência de 9 192 631 770 Hz.

Desafios

Sabemos que a unidade padrão de tempo é o segundo.

Mas antes de uma unidade ser útil em qualquer medição, uma definição precisa ser estabelecida para que seja possível especificar sua magnitude.

A definição é um conceito idealizado para a determinação daquela unidade e isso depende da construção e operação de um aparato/dispositivo/equipamento para tornar esse conceito observável.

Assim, o termo padrão é usado para um aparato baseado num conceito idealizado em particular (definição), que permite concretizá-lo.

O desenvolvimento do padrão de frequência de césio ocorreu praticamente ao mesmo tempo que a discussão e adoção do segundo efêmero – como dito neste outro artigo.

O padrão de frequência foi calibrado com o segundo efêmero e logo após a adoção deste, foi percebido que o padrão de tempo atômico era mais facilmente conseguido e reproduzido com muito mais precisão.

O padrão clássico e seu funcionamento

O primeiro relógio atômico de césio foi construído em 1955 por Essen e Parry, conforme mostrado no esquema abaixo:

Vapores de césio são aquecidos em “A” a cerca de 100°C, fazendo com que átomos passem pela fenda “B” formando um feixe.

O imã “C” produz um campo magnético forte não uniforme que atua como um seletor de estado, para que os átomos de césio sejam desviados de acordo com seu estado quântico.

Os átomos no estado desejado passam por uma região de campo magnético fraco e uniforme – “D” – passando por uma cavidade de micro-onda.

Se a frequência das micro-ondas geradas for apropriada, as transições entre os estados quânticos ocorrem.

Após isso, os átomos passam por um outro imã “E” que faz a seleção entre estados, os que passaram pela transição são separados dos que não passaram e são direcionados para o sensor “F”, gerando um sinal elétrico.

Ajustando a frequência de micro-ondas, a corrente elétrica é potencializada e, quando atinge o seu máximo, frequência de transição entre dois estados quânticos definidos é conseguida.

E essa frequência é a que utilizamos na definição do segundo, no caso, 9 192 631 770 Hz.

Por que o césio 133?

Em 1967, a redefinição do segundo foi finalmente estabelecida – como dito minimamente no início deste texto.

Contudo, posteriormente, para se obter a definição própria do segundo, uma correção relativística foi aplicada.

A razão da escolha do césio é devido a um conjunto de fatores, estes são:

• Ser um elemento com uma semelhança com o átomo de hidrogênio, no quesito de apresentar apenas um único elétron em sua camada de valência e isto faz com que seu espectro seja bastante simples.
• Seu estado padrão possui apenas dois níveis de estados hiperfinos.
• Na temperatura de trabalho usada nos experimentos em questão, todos os átomos de césio se encontram em seu estado fundamental/padrão – o que facilita bastante.
• O decaimento entre dois estados é longo o bastante para que seja aplicável, considerando o tempo de observação necessário para validação.
• A frequência de transição se encontra na região de micro-ondas, que pode ser facilmente detectável mesmo com equipamentos antigos – como os usados na década de 1950 durante os estudos dessa definição.

O futuro desenvolvimento do padrão de tempo

Ainda há espaço para uma redefinição dessa unidade numa resolução ainda maior, pois os próximos padrões são esperados para trabalhar baseados em transições óticas ao invés de micro-ondas.

Como a resolução das frequências óticas são aproximadamente 100 000 melhores que em micro-ondas, os erros relativos à frequência serão menores!

Infelizmente, ainda não temos tecnologia que seja rápida o suficiente para realizar essas medições diretamente.

Pelo menos nos últimos 25 anos, muitos esforços foram aplicados para melhorar o padrão de tempo.

Há duas abordagens principais para atingir este objetivo:

• Um único íon isolado numa armadilha de íons; e,
• Muitos átomos neutros capturados numa estrutura ótica.

Adiantamos que as duas abordagens já superam em desempenho o padrão atual de tempo com átomos de césio.

Contudo, ainda há muito trabalho a ser feito para que uma dessas duas abordagens possa ser validada e adotada como o novo padrão de tempo!

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Fontes
R. E. Beehler, R. C. Mockler, J. M. Richardson: Cesium Beam Atomic Time and Frequency Standards, National Bureau of Standards, Boulder, Colorado (1965).
F. Jan: The cesium frequency standard, Ljubljana (2014).