Relógios nucleares de tório-229 podem redefinir os limites da cronometria

Uma virada na cronometria que vem sendo buscada há décadas pode mexer com os limites do modo como medimos o tempo.

Físicos passaram a usar átomos de tório-229 para construir relógios funcionais que não dependem das oscilações de elétrons, e sim das variações de energia que ocorrem de um lado para o outro no próprio núcleo atómico.

O que torna o avanço ainda mais impressionante é que ele aconteceu duas vezes: duas equipas independentes, uma na Europa e outra na China, chegaram a resultados semelhantes.

Ambos os grupos descreveram esse trabalho marcante 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."

De relógios atómicos a relógios nucleares

Os relógios atómicos, construídos pela primeira vez na década de 1950, alcançam uma precisão tão alta que não perderiam um único segundo ao longo de milhares de milhões de anos.

O princípio é o "tic-tac" extremamente regular associado aos elétrons, quando eles alternam entre estados de energia após serem excitados por um laser.

Já o relógio nuclear, proposto em 2003, mediria o tempo acompanhando alterações de energia no núcleo. Colocar isso em prática foi muito mais difícil, porque transições nucleares geralmente exigem energias bem mais elevadas do que transições eletrónicas, o que as deixava fora do alcance da maioria das tecnologias de laser.

Por que perseguir a tecnologia de relógio nuclear

Ainda assim, há um motivo forte para insistir nessa abordagem.

Os elétrons ficam nas regiões externas do átomo; por isso, eles - e, por consequência, os relógios atómicos - tendem a sofrer mais influência do ambiente ao redor.

O núcleo, em contrapartida, está protegido no centro do átomo e é muito menos suscetível 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 instrumentos potentes para investigar fenómenos como a matéria escura e possíveis alterações nas constantes fundamentais da natureza.

Conforme destacado naquele artigo de 2003, o tório-229 é um alvo especialmente adequado porque apresenta um estado de transição de energia excecionalmente baixo, o que o coloca ao alcance da espectroscopia a laser de alta precisão.

Em 2024, investigadores na Áustria e na Alemanha obtiveram vários avanços: conseguiram acionar a transição de energia no tório-229 e fazê-lo "ticar".

O passo seguinte era converter esse "tic-tac" em um relógio de verdade, capaz de marcar o tempo.

E foi exatamente isso que as duas equipas de pesquisa realizaram.

Como os dois grupos construíram os dispositivos

Tanto o grupo europeu quanto o chinês montaram os seus relógios em torno de núcleos de tório-229 inseridos em cristais de fluoreto de cálcio e interrogados com luz laser ultravioleta de vácuo. A partir daí, porém, as estratégias seguiram caminhos diferentes.

O relógio autónomo da equipa europeia

No caso europeu, o aparelho funcionou como um relógio completo e autónomo, usando o núcleo de tório para estabilizar continuamente a frequência de um laser.

Os pesquisadores compararam o desempenho com um relógio atómico de íon de itérbio já estabelecido, demonstrando operação prolongada e estabilidade.

Além disso, usaram o relógio para procurar indícios de matéria escura ultraleve hipotética, estabelecendo novas restrições para diversos modelos propostos.

"Tirando proveito da sensibilidade aprimorada da transição do tório-229, essas restrições competem com os melhores relógios atómicos no que diz respeito ao acoplamento da matéria escura com fótons e superam medições anteriores quanto ao acoplamento com a força forte e com quarks", escrevem no artigo.

A verificação em cristais independentes feita pela equipa chinesa

Enquanto isso, o grupo chinês, liderado pelo físico Beichen Huang, da Universidade Tsinghua, colocou o foco num ponto ligeiramente diferente.

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

Os dispositivos apresentaram frequências quase idênticas, atacando um desafio importante para relógios nucleares de estado sólido.

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

Em vez disso, a concordância estreita indica que relógios nucleares podem, no futuro, tornar-se padrões reproduzíveis, e não apenas demonstrações únicas de laboratório.

"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 esperar dos relógios nucleares de tório-229

Os novos dispositivos ainda não superam os melhores relógios atómicos - e, sejamos francos, eles têm uma vantagem de 70 anos -, mas deixam claro que relógios nucleares não são apenas um sonho teórico.

Eles podem - e conseguem - funcionar no mundo real.

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

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