Cientistas criam o protótipo do primeiro relógio nuclear do mundo

O mundo mede o tempo com os tiques dos relógios atómicos. Mas um novo tipo de relógio em desenvolvimento – um relógio nuclear – poderá revolucionar a forma como medimos o tempo e investigamos a física fundamental.

Há apenas alguns meses, foi feito um enorme avanço que há décadas estava a ser preparado e os cientistas já estão a aperceber-se do seu potencial: a medição da diferença entre os estados de energia quântica de um núcleo de tório foi utilizada para criar o primeiro relógio nuclear rudimentar.

Ao acoplar um relógio atómico de estrôncio a um cristal que contém núcleos de tório, uma equipa de físicos demonstrou agora com êxito a tecnologia de base que nos conduzirá ao primeiro relógio nuclear totalmente realizado e desenvolvido.

Este marco, ainda por atingir, abrirá todo um novo domínio da cronometragem ultra-precisa.

“Com este primeiro protótipo, provámos que o tório pode ser utilizado como relógio para medições de ultra-precisão”, explica o físico Thorsten Strumm, da Universidade de Tecnologia de Viena, em comunicado da Universidade.

“Tudo o que falta agora fazer é o trabalho de desenvolvimento técnico, não sendo de esperar mais obstáculos de maior”, acrescenta Strumm.

Um relógio atómico é um relógio que se baseia no “tique-taque” muito preciso dos átomos à medida que mudam de estado de energia quando estimulados por um laser, determinado pelos estados dos eletrões que giram em torno do núcleo no núcleo atómico.

No entanto, explica o Science Alert, isto é muito mais difícil de conseguir com o próprio núcleo, uma vez que é necessária muito mais energia para mudar o seu estado energético do que para mudar o estado energético dos eletrões.

Um relógio nuclear é altamente desejável, uma vez que seria muito mais estável e preciso do que um relógio atómico. Por sua vez, permitiria medições mais precisas do Universo físico – o que tem implicações em tudo, desde a navegação até à procura de matéria negra.

No início deste ano, conseguiram medir o salto de energia — a diferença entre os estados de energia — de um núcleo de tório. E isso permitiu a Strumm e aos seus colegas determinar a energia exacta necessária para criar a mudança nos estados energéticos, o mecanismo pelo qual um relógio nuclear funcionaria.

O passo seguinte era demonstrar que podiam criar um relógio a partir deste tiquetaque, e foi isso que Strumm e os seus colegas fizeram agora.

O relógio que demonstraram não é a experiência completa de um relógio nuclear, mas são os primeiros passos nessa direção. O relógio de estrôncio do JILA, no Instituto Nacional de Normas e Tecnologia, funciona com luz infravermelha.

A equipa criou um pequeno cristal de fluoreto de cálcio que contém núcleos de tório, cujos estados energéticos são comutados utilizando luz ultravioleta de vácuo.

Para acoplar o cristal ao relógio atómico, os investigadores tiveram de encontrar uma forma de converter a luz infravermelha em ultravioleta. Para tal, criaram um feixe de frequências de comprimentos de onda infravermelhos e fizeram-no passar por gás xénon, que interage com a luz infravermelha para emitir comprimentos de onda ultravioleta.

O resultado foi um feixe de frequências combinado que podia excitar a transição dos núcleos de tório e sincronizá-la com o tique-taque dos átomos de estrôncio.

O tique-taque nuclear resultante não é mais preciso do que o relógio atómico de estrôncio, mas agora que o conceito central foi demonstrado, a tecnologia real está à vista — e muito perto da realização plena, dizem os investigadores.

“Imaginemos um relógio de pulso que não perdesse um segundo, mesmo que o deixássemos a funcionar durante milhares de milhões de anos. Embora ainda não tenhamos chegado lá, esta investigação aproxima-nos desse nível de precisão”, afirma o físico Jun Ye do JILA, em comunicado publicado no EurekAlert.

A equipa realizou a sua experiência várias vezes; de cada vez, obtiveram resultados consistentes com um relógio atómico. O próximo passo será aperfeiçoá-la.

“Quando excitámos a transição pela primeira vez, conseguimos determinar a frequência com uma precisão de alguns gigahertz. Isto já era mais do que um fator de mil melhor do que qualquer coisa conhecida anteriormente”, diz Schumm.

“Agora, porém, temos uma precisão na gama dos quilohertz — o que é novamente um milhão de vezes melhor. Desta forma, esperamos ultrapassar os melhores relógios atómicos dentro de 2 a 3 anos”.

Os resultados do estudo foram apresentados num artigo publicado a semana passada na revista Nature.