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

Uma revolução na cronometria, preparada ao longo de décadas, poderá voltar a definir os limites da forma como medimos o tempo.

Em vez de se basearem nas oscilações dos eletrões, físicos recorreram a átomos de tório-229 para construir relógios funcionais que usam as variações de energia de vaivém dos próprios núcleos atómicos.

O que torna este feito ainda mais relevante é ter sido alcançado duas vezes, por duas equipas independentes - uma na Europa e outra na China.

Ambos os grupos descrevem este trabalho marcante em pré-publicações no arXiv.

"O sistema apresentado neste trabalho", escreve a equipa liderada pelo físico Luca Toscani De Col, da Technical University of Vienna, "constitui a primeira implementação de um relógio nuclear que funciona como um dispositivo autónomo."

Relógios atómicos e a promessa do relógio nuclear

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

O seu funcionamento assenta no "tic-tac" extremamente regular dos eletrões quando, estimulados por um laser, alternam entre estados de energia.

Um relógio nuclear, proposto pela primeira vez em 2003, mediria o tempo seguindo alterações de energia no próprio núcleo. Concretizar isto revelou-se muito mais difícil, porque as transições nucleares exigem, em regra, energias bem superiores às transições eletrónicas, ficando fora do alcance da maioria das tecnologias laser.

Ainda assim, há um motivo muito forte para insistir nesta via.

Os eletrões encontram-se nas regiões exteriores do átomo e, por isso, eles - e os relógios atómicos - estão mais expostos a influências do ambiente.

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

Em teoria, isto poderá tornar os relógios nucleares ainda mais estáveis do que os relógios atómicos atuais e, ao mesmo tempo, transformá-los em instrumentos poderosos para investigar fenómenos como a matéria escura e possíveis alterações nas constantes fundamentais da natureza.

Porque o tório-229 é um alvo tão especial

Tal como indicado no artigo de 2003, o tório-229 é um candidato particularmente adequado porque apresenta uma transição de energia excecionalmente baixa, o que a coloca ao alcance da espectroscopia laser de alta precisão.

Em 2024, investigadores na Áustria e na Alemanha alcançaram vários avanços, conseguindo desencadear a transição energética no tório-229 e, depois, fazê-lo "marcar o ritmo".

O passo seguinte seria transformar esse ritmo num relógio capaz de medir o tempo de forma efetiva.

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

Relógio nuclear de tório-229: duas abordagens, Europa e China

Em ambos os casos, os relógios foram construídos com núcleos de tório-229 incorporados em cristais de fluoreto de cálcio e analisados com luz laser no ultravioleta de vácuo. A partir daí, no entanto, os métodos seguiram caminhos diferentes.

A equipa europeia: um dispositivo autónomo e testes com matéria escura

O sistema europeu 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 cientistas compararam o seu relógio com um relógio atómico estabelecido de ião de itérbio, demonstrando funcionamento e estabilidade a longo prazo.

Além disso, utilizaram o dispositivo para procurar indícios de hipotética matéria escura ultraleve, estabelecendo novas restrições para vários modelos propostos.

"Ao tirar partido da sensibilidade reforçada da transição do tório-229, estas restrições competem com as dos melhores relógios atómicos no que diz respeito ao acoplamento da matéria escura a fotões e ultrapassam medições anteriores relativamente ao acoplamento à força forte e a quarks", escrevem no artigo.

A equipa chinesa: consistência entre cristais e reprodutibilidade

Entretanto, a equipa chinesa, liderada pelo físico Beichen Huang, da Tsinghua University, seguiu um foco ligeiramente diferente.

Os investigadores avaliaram o relógio em dois cristais produzidos de forma independente, para verificar se o "tic-tac" se mantinha consistente.

Os dispositivos apresentaram frequências quase idênticas, enfrentando de frente um desafio central dos relógios nucleares em estado sólido.

Se o ambiente cristalino alterasse a frequência nuclear de forma imprevisível, cada relógio exigiria a sua própria calibração.

Em vez disso, a forte concordância observada sugere que, no futuro, os relógios nucleares poderão tornar-se padrões reprodutíveis, e não apenas demonstrações únicas em laboratório.

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

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

Eles conseguem, de facto, funcionar no mundo real.

E, se a previsão de 2024 do físico Thorsten Schumm, da Technical University of Vienna, se confirmar, poderão mesmo ultrapassar os melhores relógios atómicos atuais dentro de apenas alguns anos.

Os relógios foram descritos em pré-publicações carregadas no arXiv, aqui e aqui.