Relógios nucleares de tório-229 dão um salto histórico na medição do tempo

Uma descoberta em cronometria que levou décadas para amadurecer pode voltar a definir o limite do que é possível quando se trata de medir o tempo.

Ao trabalhar com átomos de tório-229, físicos conseguiram construir relógios funcionais que não se baseiam nas oscilações de eletrões, e sim nas variações de energia de vai e vem do próprio núcleo atómico.

O feito fica ainda mais impressionante por ter sido alcançado duas vezes, de forma independente, por duas equipas de cientistas - uma na Europa e outra na China.

As duas equipas descrevem esse trabalho histórico em preprints no arXiv.

"O sistema apresentado neste trabalho", escreve a equipa liderada pelo físico Luca Toscani De Col, da Universidade Técnica de Viena, "constitui a primeira implementação de um relógio nuclear que opera como um dispositivo autónomo."

Relógios atómicos e por que um relógio nuclear é diferente

Os relógios atómicos, construídos pela primeira vez na década de 1950, conseguem marcar o tempo com um nível de precisão tão alto que não perderiam sequer um segundo ao longo de milhares de milhões de anos.

Esse desempenho vem do “tic-tac” extremamente preciso associado aos eletrões, quando eles mudam de estados de energia após serem estimulados por um laser.

Já um relógio nuclear - proposto pela primeira vez em 2003 - mediria o tempo acompanhando alterações de energia no próprio núcleo. Colocar isso em prática, porém, tem sido muito mais difícil: em geral, transições nucleares exigem energias muito superiores às transições eletrónicas, o que costuma deixá-las fora do alcance da maior parte das tecnologias de laser.

Ainda assim, há um motivo forte para insistir em relógios nucleares.

Como os eletrões ficam nas regiões mais externas do átomo, eles (e, por consequência, os relógios atómicos) tendem a ser mais sensíveis a influências do ambiente ao redor.

O núcleo, em contraste, está profundamente protegido no centro do átomo e é muito menos vulnerável a interferências externas.

Em teoria, isso poderia tornar os relógios nucleares ainda mais estáveis do que os relógios atómicos atuais - e, ao mesmo tempo, transformá-los em ferramentas poderosas para investigar fenómenos como a matéria escura e possíveis mudanças nas constantes fundamentais da natureza.

Por que o tório-229 é a peça-chave

Conforme apontado no artigo de 2003, o tório-229 é um alvo especialmente promissor para essa tecnologia porque apresenta um estado de transição de energia excepcionalmente baixo, o que o coloca ao alcance da espectroscopia laser de precisão.

Em 2024, investigadores na Áustria e na Alemanha alcançaram vários avanços, ao provocar a transição de energia no tório-229 e, depois, fazê-lo “ticar”.

O passo seguinte era transformar esse “tic-tac” numa referência real de tempo - um relógio capaz de, de facto, marcar o tempo.

E foi exatamente isso que as duas equipas de investigação conseguiram.

Como as duas equipas construíram relógios nucleares com tório-229

Nos dois casos, os relógios foram montados em torno de núcleos de tório-229 embutidos em cristais de fluoreto de cálcio e examinados com luz laser ultravioleta de vácuo. A partir desse ponto, no entanto, as estratégias seguiram caminhos diferentes.

Abordagem europeia: um relógio autónomo e testes com matéria escura

O dispositivo da equipa europeia funcionou como um relógio completo e autónomo, usando o núcleo de tório para estabilizar continuamente a frequência de um laser.

Para validar o desempenho, os investigadores compararam o seu relógio com um relógio atómico estabelecido baseado num íon de itérbio, demonstrando operação prolongada e estabilidade.

Eles também aproveitaram o relógio para procurar indícios de uma hipotética matéria escura ultraleve, impondo novas restrições a vários modelos propostos.

"Ao tirar proveito da sensibilidade aumentada da transição do tório-229, essas restrições competem com os melhores relógios atómicos no que diz respeito ao acoplamento da matéria escura a fotões e superam medições anteriores no que se refere ao acoplamento à força forte e a quarks", escrevem no artigo.

Abordagem chinesa: consistência entre cristais e reprodutibilidade

Enquanto isso, a equipa chinesa, liderada pelo físico Beichen Huang, da Universidade Tsinghua, concentrou-se num objetivo um pouco diferente.

Eles testaram o relógio em dois cristais produzidos de forma independente para verificar se o “tic-tac” se mantinha consistente.

Os relógios apresentaram frequências quase idênticas, o que enfrenta um dos principais desafios dos relógios nucleares de estado sólido.

Se o ambiente do cristal alterasse a frequência nuclear de maneira imprevisível, cada aparelho exigiria uma calibração própria.

Em vez disso, a concordância muito próxima sugere que relógios nucleares podem, no futuro, tornar-se padrões reprodutíveis - e não apenas demonstrações laboratoriais isoladas.

"Ao tornar um núcleo atómico endereçável por laser uma referência de relógio operacional", escreve a equipa chinesa, "este trabalho estende a metrologia quântica de transições eletrónicas para transições nucleares e abre uma nova plataforma para relógios compactos, sensores quânticos nucleares de estado sólido e testes de precisão da física fundamental."

O que falta para os relógios nucleares ultrapassarem os relógios atómicos

Os novos dispositivos ainda não superam os melhores relógios atómicos - o que, convenhamos, é esperado, já que estes têm uma vantagem de 70 anos de desenvolvimento.

Mesmo assim, os resultados deixam claro que relógios nucleares não são apenas um conceito teórico.

Eles funcionam, e funcionam no mundo real.

E, se a previsão feita em 2024 pelo físico Thorsten Schumm, da Universidade Técnica de Viena, se confirmar, eles podem até ultrapassar os melhores relógios atómicos atuais em apenas alguns anos.

Os relógios foram descritos em preprints enviados ao arXiv, aqui e aqui.