E se o relógio mais preciso do mundo deixasse de depender dos elétrons e passasse a marcar o tempo pelo núcleo do átomo? Essa ideia, perseguida há décadas, acaba de dar um passo decisivo em Viena, na Áustria.
Pesquisadores da Universidade Técnica de Viena (TU Wien) construíram o primeiro relógio nuclear autoestabilizado do mundo. O dispositivo usa núcleos de tório-229 como referência e funcionou de forma estável por mais de 24 horas sem nenhuma intervenção.
O trabalho, liderado pelo físico Thorsten Schumm, foi descrito no estudo publicado na revista Nature. Diferentemente dos protótipos anteriores, o novo relógio mantém a própria estabilidade sem precisar de um relógio atômico convencional como apoio.
Por enquanto, o aparelho ainda não supera os melhores relógios atômicos ópticos do planeta.
O tório e seu degrau de energia incomum
Núcleos atômicos podem existir em diferentes estados de energia, mas, em geral, passar de um estado a outro exige quantidades enormes de energia. Por isso, na maioria dos núcleos, não é possível controlar o estado de energia com laser da mesma forma.
O tório é uma rara exceção. Dois de seus estados nucleares estão separados por uma diferença de energia extraordinariamente pequena, o que permite provocar a transição entre eles usando luz de laser. Essa transição, extremamente precisa, pode então servir de referência para medir o tempo.
A primeira grande virada veio em abril de 2024. A equipe de Schumm, no Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien, trabalhando com o grupo de Ekkehard Peik, do PTB, identificou experimentalmente a transição procurada havia décadas e mostrou, pela primeira vez, que feixes de laser conseguiam excitar núcleos de tório.
No outono europeu daquele mesmo ano, os cientistas conectaram o aparato de excitação do tório a um relógio atômico óptico convencional. Ficou demonstrado o princípio básico de um relógio nuclear, mas faltava uma capacidade essencial: manter a precisão por conta própria.
Um laser que se corrige ouvindo os núcleos
Para Schumm, esse era justamente o objetivo central da pesquisa. Ele resume a lógica do sistema em poucas palavras.
“O que você realmente quer é um relógio nuclear autoestabilizado. A ideia básica é simples: você tem um laser e tem tório. O laser muda o estado de energia dos núcleos de tório, e os núcleos de tório são usados para estabilizar a frequência do laser”, explica Thorsten Schumm, da TU Wien.
O coração do equipamento é um cristal especial contendo átomos de tório, fabricado na própria universidade. Um laser incide sobre ele e interage com os núcleos em seu interior. A luz oscila numa frequência específica, criando um ritmo regular que serve para contar o tempo.
O problema é que esse ritmo é sensível ao ambiente. Pequenas variações, como flutuações de temperatura, podem fazer a frequência do laser se desviar levemente, o que comprometeria qualquer medição de alta precisão.
A solução está no comportamento dos próprios núcleos. O tório só absorve a luz quando ela tem exatamente a frequência correta. Se o laser começa a derivar, a absorção diminui, o sistema detecta a mudança e ajusta automaticamente o laser de volta ao valor certo. Esse ciclo contínuo de realimentação mantém o relógio funcionando em ritmo constante.
Um segundo de erro em 30 milhões de anos
A grande promessa dos relógios nucleares vem do tamanho dos núcleos, mais de 10 mil vezes menores que os átomos. Por serem tão diminutos, eles sofrem muito menos influência de perturbações externas que costumam atrapalhar medições ultraprecisas, como as que afetam os elétrons usados nos relógios atômicos tradicionais.
Para avaliar o protótipo, a equipe acompanhou seu desempenho ao longo de um dia. O relógio atingiu uma precisão relativa de cerca de 10 elevado a menos 15, o que equivale a um erro de aproximadamente um segundo em 30 milhões de anos.
O número descreve a precisão medida, e não um teste que tenha durado milhões de anos. Ainda assim, ilustra a qualidade alcançada logo na primeira versão do aparelho.
“Isso ainda não está no nível dos melhores relógios atômicos ópticos do mundo, mas, para um primeiro protótipo, é um resultado fantástico”, afirma Schumm.
Os pesquisadores acreditam que há bastante espaço para melhorias. Com lasers mais potentes e cristais de tório de melhor qualidade, eles esperam elevar substancialmente a precisão. Essas melhorias poderiam, futuramente, permitir que relógios nucleares superem os atômicos e estabeleçam um novo padrão para a medição do tempo.
Os ganhos iriam além da cronometragem. Medir o tempo com mais exatidão também aprimora a medição de outras grandezas físicas, oferecendo ferramentas cada vez mais sensíveis para investigar as propriedades fundamentais da natureza.
