Primeiro protótipo de relógio nuclear com tório é sincronizado a um relógio atómico de estrôncio

Uma conquista enorme, preparada ao longo de décadas e alcançada há poucos meses, já começa a revelar o seu alcance: ao medir a diferença entre estados de energia quânticos no núcleo de tório, cientistas conseguiram construir o primeiro relógio nuclear, ainda num formato inicial e experimental.

Em vez de se basear apenas em átomos, a equipa demonstrou a tecnologia essencial ao acoplar um relógio atómico de estrôncio a um cristal que contém núcleos de tório. Essa prova de conceito é o passo que faltava para avançar rumo a um relógio nuclear completo e plenamente desenvolvido.

Quando esse marco - que ainda não foi atingido - for concretizado, a cronometria poderá entrar num patamar totalmente novo de medição ultra-precisa.

"Com este primeiro protótipo, provámos: o tório pode ser usado como marcador de tempo para medições de precisão ultra-alta", explica o físico Thorsten Strumm, da Universidade de Tecnologia de Viena.

"Tudo o que falta agora é trabalho de desenvolvimento técnico, sem que se prevejam grandes obstáculos adicionais."

Do salto de energia ao primeiro protótipo

Um relógio atómico funciona a partir do "tic-tac" extremamente regular associado às transições entre estados de energia induzidas por um laser - transições definidas pelos estados dos eletrões que se movem ao redor do núcleo, no centro do átomo.

Transportar essa ideia para o próprio núcleo é bem mais complicado, porque a quantidade de energia necessária para alterar o estado de energia nuclear é muito maior do que a exigida para mudar o estado de energia dos eletrões.

Mesmo assim, um relógio nuclear é altamente desejado: em princípio, poderia ser muito mais estável e exato do que um relógio atómico. Como consequência, também permitiria medições mais refinadas do Universo físico - com impacto potencial em áreas que vão da navegação à procura por matéria escura.

No início deste ano, foi anunciado o valor do salto de energia - isto é, a diferença entre estados de energia - no núcleo de tório. A partir dessa medição, Strumm e colegas puderam determinar com precisão qual energia é necessária para provocar a transição entre os estados, que é precisamente o mecanismo que serviria de "batida" de um relógio nuclear.

A etapa seguinte era mostrar que esse "tic" poderia, de facto, ser transformado num relógio - e foi exatamente isso que Strumm e os seus colegas demonstraram agora.

Como o relógio nuclear foi acoplado ao relógio atómico de estrôncio

A versão apresentada ainda não é o relógio nuclear completo, mas representa os primeiros passos concretos nessa direção. O relógio de estrôncio do JILA, no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), opera com luz infravermelha.

Para a parte nuclear, a equipa produziu um pequeno cristal de fluoreto de cálcio contendo núcleos de tório, cujos estados de energia são comutados por luz ultravioleta de vácuo.

Para ligar o cristal ao relógio atómico, foi necessário encontrar uma forma de transformar a luz infravermelha em ultravioleta. Os investigadores fizeram isso ao gerar um pente de frequências com comprimentos de onda no infravermelho e, em seguida, fazê-lo atravessar gás xénon, que interage com essa luz e emite comprimentos de onda no ultravioleta.

O resultado foi um pente de frequências combinado capaz de excitar a transição nos núcleos de tório e sincronizá-la com o "tic-tac" dos átomos de estrôncio.

Precisão alcançada e próximos passos

Por enquanto, o "tic" nuclear obtido não é mais preciso do que o do relógio atómico de estrôncio. Ainda assim, depois de a ideia central ter sido validada, a tecnologia necessária passa a estar ao alcance - e, segundo os autores, muito perto de se tornar realidade.

"Imagine um relógio de pulso que não perderia um segundo sequer mesmo que ficasse a funcionar por milhares de milhões de anos. Ainda não chegámos lá, mas esta investigação aproxima-nos desse nível de precisão", diz o físico Jun Ye, do JILA.

A equipa repetiu o experimento muitas vezes e, em todas elas, obteve resultados compatíveis com os de um relógio atómico. A partir de agora, o objetivo será aperfeiçoar o sistema.

"Quando excitámos a transição pela primeira vez, conseguimos determinar a frequência com uma incerteza de poucos gigahertz. Isso já era mais de mil vezes melhor do que qualquer coisa conhecida antes. Agora, porém, temos precisão na faixa dos quilohertz - o que é novamente um milhão de vezes melhor", afirma Schumm.

"Dessa forma, esperamos ultrapassar os melhores relógios atómicos em 2-3 anos."

A pesquisa foi publicada na Nature.