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Com precisão capaz de errar menos de um segundo em 140 milhões de anos, o novo relógio atômico NIST-F4 redefine os padrões globais de cronometragem e sustenta sistemas essenciais como GPS, redes elétricas e transações financeiras.
Em Boulder, no Colorado, um novo marco foi atingido no campo da medição do tempo. O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) colocou em funcionamento o NIST-F4, um relógio atômico com precisão tão alta que levaria 140 milhões de anos para perder apenas um segundo.
O NIST-F4 agora faz parte do grupo restrito de relógios mais precisos do mundo.
Seu funcionamento se baseia na oscilação de átomos de césio, uma referência para definir o segundo com exatidão impressionante.
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Um novo padrão de tempo
O NIST-F4 não é apenas mais um relógio. Ele serve como padrão de frequência primária, estabelecendo a base para outras medições de tempo em nível mundial.
A agência submeteu o dispositivo à validação do Escritório Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), responsável por coordenar a cronometragem global.
A operação do NIST-F4 representa uma atualização significativa em relação ao seu antecessor, o NIST-F1, desativado em 2022.
Embora parte do hardware tenha sido reutilizado, houve melhorias importantes em sistemas ópticos e de micro-ondas.
O destaque é a nova cavidade de cobre Ramsey, essencial para medir a frequência com precisão quântica.
Como o relógio funciona
No coração do NIST-F4 estão milhares de átomos de césio resfriados por lasers quase até o zero absoluto.
Esses átomos são lançados para cima em forma de fonte, atravessando duas vezes uma câmara com micro-ondas.
Na primeira travessia, os átomos são excitados a um estado quântico que vibra em uma frequência constante.
Na segunda, a frequência das micro-ondas é ajustada até coincidir com essa vibração.
Quando o ajuste é perfeito, o relógio conta exatamente 9.192.631.770 ciclos, número que define um segundo desde 1967.
Esse mecanismo, embora silencioso e invisível a olho nu, regula os sistemas mais críticos da sociedade moderna, como GPS, transações financeiras e redes de comunicação.
Aplicações práticas do NIST-F4
O impacto do novo relógio vai muito além dos laboratórios.
Seus sinais de tempo são utilizados em operações que ocorrem bilhões de vezes por dia. Isso inclui a sincronia de satélites, negociações financeiras e redes elétricas.
Donley, pesquisador do NIST, explicou que esses sinais são essenciais para garantir que as operações tecnológicas do mundo moderno ocorram com precisão.
Qualquer erro pode causar grandes falhas, desde atrasos em redes de telecomunicação até perdas financeiras.
Precisão e estabilidade sem precedentes
A precisão do NIST-F4 é resultado de um controle rigoroso sobre todos os fatores que podem afetar a medição do tempo.
Os cientistas do NIST levaram em conta dezenas de efeitos físicos, como o deslocamento causado por campos magnéticos, a influência da radiação ambiente e até a altura do relógio em relação ao nível do mar.
Eles também compensaram fenômenos quânticos sutis, como a interação entre átomos frios e variações no campo de micro-ondas.
O resultado foi uma incerteza de apenas 2,2×10⁻¹⁶, o que corresponde a um erro inferior a um segundo em 140 milhões de anos.
A estabilidade do NIST-F4 também chama atenção. Em modo de alta densidade, ele atinge uma estabilidade de 1,5×10⁻¹³ por raiz quadrada de τ (tau), que representa o tempo de medição.
Essa estabilidade é limitada principalmente por ruídos quânticos e do oscilador, que podem ser reduzidos com tecnologias futuras.
Comparações e validação internacional
Para garantir a confiabilidade dos dados, o NIST comparou o NIST-F4 com outros padrões internacionais de frequência.
A comparação incluiu a média global dos padrões reconhecidos pelo BIPM. O relógio passou no teste, mostrando alinhamento dentro das margens de incerteza aceitas.
Os resultados foram publicados em um artigo técnico na revista Metrologia, assinado por Vladislav Gerginov e colegas.
Segundo os autores, o NIST-F4 agora contribui oficialmente para o Tempo Universal Coordenado (UTC), ajudando a manter a precisão do horário mundial.
Uma história de evolução contínua
O NIST-F4 é o quarto relógio de fonte de césio desenvolvido pelo instituto.
O primeiro, NIST-F1, começou a operar no fim dos anos 1990 e serviu como padrão por mais de 15 anos. Após sua desativação, os cientistas decidiram construir uma nova versão a partir do zero.
Entre 2020 e 2025, a equipe liderada por Gerginov reconstruiu os principais sistemas do relógio, incluindo a cavidade de micro-ondas, com tolerâncias menores que um fio de cabelo.
Também redesenharam os sistemas ópticos, magnéticos e de controle térmico. O resultado foi um relógio estável o suficiente para redefinir padrões globais.
Segundo Gerginov, esse processo exige paciência extrema.
Um pequeno erro pode afetar não apenas o relógio, mas todos os sistemas que dependem dele, como usinas, aviação e dados em tempo real.
Participação no tempo oficial dos EUA
Hoje, o NIST-F4 opera por aproximadamente 90% do tempo, ao lado do NIST-F3.
Juntos, eles ajudam a manter o horário oficial dos Estados Unidos (UTC NIST) e contribuem para a escala global coordenada pelo BIPM.
Esses relógios são essenciais para manter a sincronia global, permitindo que países e sistemas internacionais operem em perfeita harmonia.
Futuro da medição do tempo
Apesar de sua precisão, o NIST-F4 não representa o fim da linha. Cientistas já trabalham com relógios ópticos, que usam átomos diferentes e ciclos ainda mais rápidos. Esses dispositivos poderão redefinir o segundo novamente nas próximas décadas.
Mesmo assim, os relógios de césio como o NIST-F4 continuarão essenciais como referência e para manter a compatibilidade com sistemas atuais.
Atualmente, existem apenas cerca de 20 relógios de fonte de césio ativos no mundo.
Todos contribuem para o UTC, que regula sistemas globais em tempo real. O NIST-F4, com sua precisão inédita, é agora uma das principais bases desse sistema.
Em tempos de alta velocidade tecnológica, onde cada milésimo de segundo importa, o NIST-F4 é um lembrete de que até o tempo exige precisão absoluta.
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