Relógio nuclear avança para ser o futuro de uma medição ainda mais precisa do tempo

A maioria dos relógios, desde os relógios de pulso até os sistemas que operam o GPS e a internet, funciona por meio do acompanhamento de movimentos regulares e repetitivos.

Para construir um relógio, é preciso algo que marque o tempo de maneira perfeitamente repetitiva. Em um relógio de pêndulo, esse tique-taque é o balanço regular do pêndulo: para frente e para trás, para frente e para trás, quase sempre na mesma frequência.

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Nossa equipe de físicos estuda se um dia será possível construir um tipo de relógio ainda melhor a partir de núcleos atômicos. Os melhores relógios atuais já usam átomos para manter uma precisão extraordinária. Mas, em princípio, um relógio baseado no núcleo — o minúsculo e denso centro de um átomo — em vez dos elétrons do átomo, poderia manter um ritmo mais estável, pois seria menos sensível a perturbações ambientais, como mudanças de temperatura. Em nossa pesquisa, publicada recentemente na revista científica Nature, medimos e interpretamos uma propriedade nuclear única do tório-229 em um cristal que poderia ajudar a tornar esses relógios nucleares possíveis.

Relógios ultraprecisos são mais do que curiosidades científicas. Eles desempenham papéis fundamentais na navegação, nas comunicações e na sincronização internacional do tempo. Melhorias na precisão da medição do tempo também podem abrir portas para novas descobertas científicas.

Como funcionam os relógios atômicos

Em um relógio atômico, pesquisadores direcionam um laser para um material e ajustam cuidadosamente a luz até que ela desencadeie uma resposta atômica específica, normalmente empurrando ou excitando um elétron de um nível de energia para outro. Eles sabem que isso aconteceu porque os átomos absorvem a luz do laser com maior intensidade quando sua energia está exatamente correta.

Essa absorção ocorre em uma frequência extremamente precisa. Frequência é quantas vezes algo se repete ao longo do tempo. Para um pêndulo, é o número de oscilações para frente e para trás a cada segundo. Para a luz, é o número de ciclos de onda que passam a cada segundo. A frequência de uma onda de luz também determina sua energia e, na faixa da luz visível, sua cor.

Ao detectar quando os átomos absorvem a luz do laser com maior intensidade, os cientistas podem usar o laser como um metrônomo. Em vez de contar oscilações, esses relógios contam ondas de luz.

Para garantir que a frequência de tique-taque permaneça constante e o relógio continue preciso, os cientistas ajustam com precisão a energia do laser à energia necessária para excitar um elétron em um átomo.

Como a energia de excitação do elétron é determinada pelas leis da física, os relógios atômicos baseados no mesmo átomo funcionam na mesma frequência em qualquer lugar do Universo - até mesmo o E.T. concordaria com o seu relógio.

Mas usar essa energia para calibrar um relógio, como fazem os relógios atômicos, não ocorre sem consequências. Se algo alterar a energia do átomo, como um campo magnético não considerado ou a temperatura da sala, o relógio marcará o tempo a uma velocidade diferente.

No interior de cada átomo, no entanto, existe algo ainda menor: o núcleo. Os relógios atômicos atuais medem o tempo monitorando as mudanças nos elétrons do átomo. Um relógio nuclear, por outro lado, utilizaria uma excitação no próprio núcleo, que é muito mais compacto.

Como um núcleo é 10.000 vezes menor do que o átomo como um todo, ele é muito menos sensível à temperatura, aos campos elétricos e a outras perturbações ambientais do que os elétrons em um átomo. Isso o torna um candidato atraente para um relógio ainda mais estável.

O desafio é que a natureza não facilita a construção de um relógio desse tipo. A propriedade única que descobrimos em nossa pesquisa pode ajudar.

O que torna o tório-229 especial?

Em um caso excepcionalmente raro, o núcleo do elemento tório-229 possui uma propriedade baseada em seus dois estados: um estado fundamental e um estado excitado de energia ligeiramente mais alta. Esses estados representam duas configurações diferentes do núcleo, e os cientistas são capazes de usar lasers para excitar o núcleo de um estado para o outro.

O primeiro passo foi determinar exatamente quanta energia é necessária para levar o núcleo do tório-229 ao seu estado excitado. Isso levou quase 50 anos - uma façanha que nós e outros grupos realizamos em 2024. Essa transição ocorre a uma frequência extraordinariamente alta, cerca de 2 quatrilhões - 2 * 10¹⁵ - ciclos por segundo.

Em seguida, para garantir que o laser esteja na frequência correta para criar um relógio, é preciso verificar se o núcleo foi de fato excitado. Até agora, os físicos acreditavam que a melhor maneira de fazer isso era procurar os flashe de luz muito fracos que os núcleos excitados geralmente emitem.

Mas há dois problemas com essa abordagem.

Primeiro, na maioria dos materiais, os núcleos de tório liberam sua energia não na forma de luz, mas por meio de um processo chamado conversão interna, no qual a energia é transferida para um elétron no material.

Segundo, mesmo quando a luz é emitida, é extremamente difícil detectá-la. Ela se situa no ultravioleta do vácuo, uma parte do espectro eletromagnético que o ar absorve e é difícil de observar.

Uma maneira diferente de "ouvir" o núcleo

Em nosso trabalho, invertemos o problema. Em vez de tentar coletar a luz do núcleo, procuramos diretamente os elétrons de conversão interna que ele produz.

Criamos uma camada muito fina - com apenas algumas dezenas de átomos de espessura - de dióxido de tório sobre um pequeno disco de metal. Um laser sintonizado na energia correta excitou os núcleos de tório na amostra. Quando alguns desses núcleos "relaxaram", transferiram sua energia para elétrons próximos, que então puderam deixar a superfície. Usamos campos elétricos e magnéticos cuidadosamente dispostos para guiar esses elétrons para um detector.

Ao varrer o laser por diferentes frequências e registrar quantos elétrons detectamos, pudemos medir o quão próxima a energia do laser estava da energia necessária para excitar o núcleo. Quando as duas se correspondiam exatamente, o sinal aparecia claramente nos dados, revelando a frequência precisa do laser na qual os núcleos de tório-229 absorvem a energia mais intensamente.

Também medimos por quanto tempo o estado nuclear excitado permaneceu neste material antes de relaxar, o que nos deu uma visão direta de como o material circundante influencia o núcleo.

A medição se torna muito mais poderosa quando combinada com a teoria. Os cálculos podem estimar como o tipo de material utilizado altera a energia necessária para excitar o tório e com que eficiência ele converte a energia do núcleo em elétrons emitidos. Esses cálculos ajudam os pesquisadores a distinguir o comportamento intrínseco do núcleo dos efeitos externos causados pelo sólido ao seu redor. Esse entendimento é crucial para projetar relógios nucleares práticos.

Por que essa abordagem é importante

Detectar elétrons em vez de luz tem duas vantagens principais.

Primeiro, ela abre caminho para o estudo do tório-229 em uma gama muito mais ampla de materiais sólidos, incluindo alguns que os pesquisadores haviam descartado anteriormente. Abordagens anteriores funcionavam melhor apenas em materiais onde era difícil arrancar elétrons, o que limitava as opções. Nosso método alivia essa restrição, permitindo que os cientistas explorem materiais que antes não eram viáveis. Essa categoria mais ampla de materiais poderia facilitar o projeto e a construção de futuros relógios nucleares.

Em segundo lugar, esse método poderia viabilizar um novo tipo de relógio nuclear que é mais simples e potencialmente mais fácil de miniaturizar.

Em vez de precisar de detectores de luz sensíveis, um relógio baseado nessa abordagem poderia indicar a hora medindo uma minúscula corrente elétrica produzida pelos elétrons emitidos.

Para que os relógios nucleares seriam usados?

Um dia, pesquisadores poderão usar relógios nucleares para testar se as constantes fundamentais da natureza permanecem realmente constantes em longos períodos de tempo, ou para procurar sinais de nova física, como a matéria escura, no Universo. Relógios mais estáveis e precisos também poderiam melhorar tecnologias que dependem de sincronização de tempo, como sistemas avançados de navegação.

Nosso trabalho é um primeiro passo nessa direção. Ele não fornece um relógio pronto, mas remove uma barreira prática e oferece uma nova ferramenta experimental para estudar como o núcleo de tório se comporta dentro de sólidos.

Eric R. Hudson recebe financiamento da ARO, da DARPA, do NIST, da NSF e da RCSA.

Andrei Derevianko recebe financiamento da NASA e da National Science Foundation.